[0001] Bezug wird genommen auf und Priorität wird beansprucht mit Bezug auf die deutsche
Patentanmeldung 101 55 028.6-41 vom 05. November 2001 mit dem Titel " Vakuum-Fügen
für in-vacuo hergestellte Vakuumbehältnisse und Strukturen".
Stand der Technik
[0002] Die unter einem Vakuum in-situ durchgeführte Fügetechnik wie das Schweißen von Strukturmaterialien
zu Strukturen erfolgt handwerklich und ohne eine effiziente Automatisierung oder eine
geschlossen automatisierte oder reproduzierbare Fertigung(skette). Evakuierungs- und
Komprimierungsvorgänge der entsprechenden Vakuumapparaturen sind deshalb in der Regel
für jede einzelne vakuumzufertigende Struktur erforderlich. Automatisierte Vakuumverarbeitungsvorgänge
sind lediglich unter Andocken eines Flansches für die Evakuierung einer Struktur wie
des Innenraumes eines Behälters (cf. Verpackung von Kaffee in Kaffeepakete oder mit
Ventil, Stutzen etc. versiegelte und relativ dickwandige Vakuumisolationspaneele (VIP)
mit einem unter Normalatmosphäre abgepumpten Innenraum) bekannt, ohne daß die entsprechende
Struktur ganz(heitlich) von einem Vakuum umgeben ist. Dadurch sind die Freiheitsgrade
bei der Verarbeitung von Strukturmaterialien zu Strukturen unter Einsatz eines Vakuums
stark reduziert. So ist die Evakuierungseffizienz wie die notwendige Pumpleistung
pro Produktionseinheit entsprechender Behältnisse relativ hoch oder der Atmosphärendruck
lastet auf einem quasi-geschlossenen Evakuierungs-Innenraum. Produkte mit entsprechend
eingeschränkter Dimensionierungsfreiheit können ihren (vielfach bereits begrenzten)
Marktanteil nur schwer erweitern.
[0003] Auf das Beispiel der Vakuumisolationspaneele (VIP) soll näher eingegangen werden.
VIP sind Dämmplatten mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit durch ihren transversalen
Querschnitt. Instrumental ist dabei das Vakuum in diesem transversalen Querschnitt,
welches von einer vakuumtauglichen, auf lange Zeit aber nicht unbedingt absolut vakuumdichten
Folie eingefaßt ist. Damit dieses Vakuum eine relative dimensionale Form erhält, enthält
und beibehält, werden vor einer abschließenden Anfertigung der VIP unter Vakuum bis
zu einem gewissen Grad druckstabile Füllkörper in die Folie eingebracht (s.
Bild 1), und zwar in der Regel vor Evakuierung außerhalb der entsprechenden Vakuumapparatur.
Als gängige Füllkörper, auch Kernmaterialien genannt, werden mikroporöse Pulver, i.e
forminstabile Materialien oder formstabile Pulverplatten (dem sogenannten Dämmkern
zur Aufnahme äußerer Belastungen) eg. aus bis T = 1000° C pyrogener und in der Form
mikroporöser und somit auf Vakuum evakuierbarer Kieselsäure (Porengröße ca. 0,5 µm)
verwandt. Jüngere Entwicklungen umfassen den Einsatz von Aerogelen (ein Silikatwerkstoff)
in VIP für eg. Kühlschränke (cf. Marcel Falk,
Frankfurter Rundschau, 29. 06. 2001). Die Wärmeleitfähigkeit λ(t=0) von VIP nach dem Stand der Technik
beträgt weniger als beziehungsweise ungefähr 5 x 10
-3 W/mK und liegt demnach etwa 8mal unter entsprechenden λ(t=0)-Werten konventioneller
Wärmedämmstoffe wie Mineralfasern oder Schaumstoffe mit etwa 40 x 10
-3 W/mK. Entsprechende Leistungsdaten beruhen auf einem anfänglichen Innendruck im Vakuum-Innenraum
einer VIP, dem VIP-Kern, von etwa 1 mbar bis zu 5 mbar, der aber nur unter den Bedingungen
einer relativ teuren weil Ertrags-armen und/oder unproduktiven Fertigung, relativ
teurer Einsatzmaterialien und relativ schmaler Schadenztoleranz und engem Anwendungstemperaturbereich
nahe Raumtemperatur einzulösen ist. Hintergrund ist der rapide Anstieg der Wärmeleitfähigkeit
einer VIP bei einem Innendruck von etwa 80 mbar im VIP-Kern, der zwar in einer perfekten
VIP erst nach Jahrzehnten eintritt, in der Realität aber einen hohen Ausschuß in der
Produktion voraussetzt, weil er aufgrund der Probleme in der Fertigung einer vakuumtauglichen
Versiegelung nicht garantiert werden kann oder wenn er garantiert werden kann, dann
hohe und durch handwerkliche Fertigung erhöhte Kosten vorraussetzt.
[0004] Ein Problem ist dabei die Wahl des gegenüber äußeren Drücken resistenten Füllstoffes,
der der VIP in gewissen Grenzen eine Form(stabilität) verleiht und durch seine Ausgasungsresistenz
die Beibehaltung des Unterdruckes im VIP-Kern garantieren muß. Von den kostengünstigeren
Füllstoffen wie Polyurethan ist dies nur bei Raumtemperatur gewährleistet. Grundsätzlich
gilt, daß für eine geforderte Wärmeisolation einer VIP der zulässige Unterdruckswert
im Vakuum-Innenraum einer VIP um so mehr steigt, je geringer die Porengröße des Füllstoffes.
Dies hängt mit der Tatsache zusammen, daß die Porengröße dem gasförmigen Medium im
Innenraum die effektive Mittlere Freie Weglänge (MFW) aufzwingt, wenn die Porengröße
kleiner als die MFW ist, das gasförmige Medium aber für die Wärmeleitung der hauptsächlich
verantwortliche Stoff bleibt. Auf dem Gebiet der VIP wird in drei Druck-Füllstoffkombinationsbereiche
unterschieden: bei einem (offenporigem) Schaum wie Polyurethan ist ausreichende Wärmeisolierung
aufgrund der entsprechend großen Poren nur bei VIP-Innendrücke von 0,05 mbar möglich,
bei einem Füllstoff aus pyrogener Kieselsäure VIP-Innendrücke von 5 mbar und bei einem
Aerogel können VIP-Innendruck von 200 mbar zuzgelassen werden. Letztere kompensieren
durch einzigartige intrinsische Wärmeleitwiderstände den Effekt des relativ hohen
Innendruckes auf die resultierende Gesamt-Wärmeleitfähigkeit einer VIP.
[0005] Um den notwendigen Aufwand für das Vakuum in der VIP zu reduzieren, wird gegenwärtig
versucht, relativ teure Aerogele als Füllstoff für den Dämmkern (s.
Bild 1) einzuführen, weil damit der Einsatz höhere Vakuumdrücke im VIP-Innenraum praktikabel
werden und gehofft wird, daß Aerogele einmal billiger werden (cf. Marcel Falk,
Frankfurter Rundschau , 29. 06. 2001). Für einen weiter verbreiteten Gebrauch von VIP ist das wenig hilfreich,
zumal die Ummantelung der VIP nach Stand der Technik weiter leicht zerstörbar und
die Vielseitigkeit des resultierende Gebrauchs von VIP entsprechend begrenzt bleiben
muß. Zwar gibt es weniger leicht zerstörbare VIP aus einem Stahl-Gehäuse, jedoch ist
das Vakuum in ihnen aufgrund lösbarer und leicht undichter Verbindungen, die notwendig
sind, weil diese VIP unter Normalatmosphäre gefertigt werden, nicht beständig. Entsprechende
lösbare Verbindungen müssen häufig nachgearbeitet werden. Außerdem reduzieren diese
Gehäuse die Wärmeisolation signifikant, weil relativ dicke Gehäuse-Querschnitte an
den transversalen Außenbereichen durch eine erhöhte Wärmeleitung die Wirkung der Isolierung
durch den entsprechenden Kern wieder zurücknehmen.
[0006] Eine VIP aus einem in-vacuo gefertigtem Stahlgehäuse ohne lösbare Verbindungen, welche
die Vorteile der vorhandenen VIP kombiniert, nämlich geringe Wärmeleitung, geringer
Querschnitt sowohl der VIP (um bei Einführung oder Substitution herkömmlicher Wärmedämmung
möglichst wenig Platz zu beanspruchen) als auch der Ummantelung einer VIP (um der
Wärmeleitung durch die transversalen Kanten einer VIP einen möglichst geringen Querschnitt
zu bieten) und geringere Zerstörbarkeit sowie Benutzerfreundlichere mechanische Eigenschaften,
ist nicht bekannt, obwohl genau dies die Marktchancen für VIP erheblich erhöhen würde.
Das Problem liegt in der Fertigung, genauer, im Fügen unter Vakuum, welche (teuren
Vakuumkammer-)Platz aufgrund der (gewünschten oder geforderten) Dimensionen einer
VIP und entsprechender Vorbereitung und Handhabung im Vakuum und (zusätzliche) Zeit
gegenüber einer Fertigung unter Normalatmosphäre beansprucht. Füllstoffmaterialien
für VIP haben ein großes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis und führen auf diese Weise
unumgänglich zu einer signifikanten Adsorption von Feuchtigkeit und anderen Spezies
vor und während der Fertigung einer VIP. Es ist daher Stand der Technik, sogenannte
"getter"-Materialien während der Fertigung in einem Vakuum in der Vakuumapparatur
und/oder der VIP auch in Abhängigkeit von Service-T gegen den Effekt der Zersetzung
des Füllstoffkerns einzusetzen. NB. "Getter"-Materialien sind Feuchtigkeitfallen,
relativ teuer und ggfs. toxisch und somit ein potentielles Problem für Wirtschaftlichkeit
und zum Beispiel für das Rezykling von VIP. Sie stellen einen prinzipiellen ökologischen
Widerspruch zum mit ihnen beabspruchten allgemeinen Wärmedämmungsanspruch dar und
stehen daher ihrer breit angelegten Einführung im Weg. Auch ein relativ höher Aufwand
für die Erlangung des Vakuums zur Herstellung von Vakuumisolationspaneelen (VIP) schränkt
heute noch den wirtschaftlichen Einsatz und den Nutzen der Vorteile von Vakuumisolationspaneelen
ein. Die Notwendigkeit der Herstellung einer VIP unter Vakuum wird häufig unterschlagen,
wenn an der VIP-Ummantelung keine lösbaren Verbindungen für ein nach der Fertigung
der VIP notwendiges Evakuieren vorliegen sollen (cf. DE 200 12 547 U1). Beanspruchte
Gebrauchsmuster schlagen dann insoweit Kapriolen, als daß sogar "die Verbindung unter
hohem Druck erfolgt." (DE 200 12 547 U1, Schutzanspruch 15) und nicht klar ist, ob
als "nachträglich" beanspruchte Eigenschaften (DE 200 12 547 U1, Schutzanspruch 18)
den Zustand der entsprechenden VIP bereits vor oder nach einem Schadensfall betreffen.
Mit anderen Worten: es werden Isolationspaneele mit einem Vakuum beansprucht, ohne
daß offenbart wird, wann, wo und wie das Vakuum überhaupt in die Panneele gelangt.
[0007] Dies aber entscheidet über Verbreitung und effektives Anwendungsspektrum von VIP.
Die häufig noch handwerklichen Herstellmethoden, die mit der notwendigen Evakuierung
des von den VIP-Folienmaterialien einzuschliessenen Vakuum-Innenraums zur Aufnahme
eines Füllkörpers, dem sogenannten VIP-"Kern", je nach Anwendungs- und Kostenzweck
verbunden sind, sind aber als wesentliche Ursache für eine begrenzte Materialauswahl
bei der Herstellung von VIP einzustufen. Hierbei sind insbesondere der beschränkte
Einsatz von wenigen oder sehr beschränkt verarbeitbaren oder anwendbaren VIP-Folienmaterialien
zu nennen. Es ist Stand der Technik, VIP aus Verbundfolien, bestehend aus einer Außenlage
aus Nylon oder Polyamid, einer mittleren Schicht als Gasbarriere zum Beispiel aus
Polyethylen oder aus Aluminium, und einer dauerhaft versiegelbaren Innenseite mit
einem thermisch versiegelbaren Stoff wie zum Beispiel Polyethylen, Nylon oder Teflon,
herzustellen. Eine Alternative sind metallbedampfte Folien, die ggfs. den Vorteil
besitzen, an der transversalen Außenseite durch reduzierte oder unterlassene Metallbedampfung
den entsprechenden Wärmefluß (transversale "Wärmebrücke") zu minimieren oder zu kontrollieren.
[0008] Vor der eigentlichen Versiegelung des Vakuum-Innenraums einer VIP wird diese zunächst
unter Normalbedingungen weitestgehend vorbereitet. Hierzu zählt der dreiseitige Verschluß
einer VIP, der vielfach durch einen Fügeschritt (dann resultiert in der Regel eine
Lasche oder Überlappung mit der Breite x
1) oder Formgebungsschritt unter Normalbedingungen realisiert wird, bevor unter einem
Vakuum über die verbleibende offene Lasche das Gas aus dem Innenraum der VIP ausströmt
(i.e. bis auf den Vakuum-Umgebungsdruck durch eben diese Umgebung abgesaugt wird)
und eine Stirnnaht nach Evakuierung unter eben diesem Vakuum durch ein sogenanntes
"Schweißen" (s. unten) versiegelt wird, hier ebenfalls unter Bildung einer Lasche
oder Überlappung mit der Breite x
2 (s. Darstellung in
Bild 2). Zuvor wurde bereits ein Füllkörper in die VIP eingebracht und die so gefüllte VIP
in der Regel von Hand in den Vakuumversiegelungsapparat eingelegt. Dabei ist die Positionierung
nicht notwendigerweise präzise, weil das Produkt in der Regel erlaubt, über den VIP-Kern
hinaus überstehende Folien mit relativ hohen Toleranzen in der Breite zuzulassen (s.
das in
Bild 2 dargestellte Schema).
[0009] Viele Patente und Gebrauchsmuster (cf. DE19758219A1, DE19814271A1, DE 200 12 547
U1) beanspruchen zwar ein "Verschweißen" der VIP-Folienummantelung, obwohl effektiv
ein
partieller Verschmelzungsvorgang vorliegt, weil Kunststoffschichten von Kunststoff/Metall-Verbünden versiegelt werden,
also unklar bleibt, worin der Verschweißungsprozeß besteht, eg. über die Flüssigphase
eines Metalles oder einer Legierung (mit oder ohne Vermischen eines Zusatzes) oder
eg. über eine Festkörper-In-Diffussion zwischen einer Schweißnaht und der "heat affected
zone" (HAZ). Kunststoffe, Kleber und organische oder Biomaterialien sind aber gerade
unter den Bedingungen eines Verschmelzens, bei dem ein Teil der Verbundfolien wie
etwa die Metallbarriereschicht noch nicht einmal flüssig wird, unlöslich in Metallen
und Legierungen und umgekehrt. Mikrostrukturen entsprechender "Verschmelzungsnähte"
können deshalb sehr leicht schädigende Einschlüsse enthalten, zumal nicht offenbart
wird, ob die beanspruchte "Verschweißung" unter Vakuum oder unter Normalbedingungen
stattfindet (cf. DE 200 12 547 U1). Ferner wird in den gängigen VIP-Patenten das "Schweißen"
von Umhüllungen aus einer undefinierten Anzahl von Schichten oder Materialverbünden
unterschiedlichster Materialien beansprucht, die ineinander unlöslich und (bei entsprechendem
Ausschuß in der Produktion) für die Bildung einer homogenen Schweißnaht inkompatibel,
also ausgeschlossen sind (cf. DE197 58 219 A1, DE 198 14 271 A1), ein Sachverhalt,
der umso schwerwiegender wird, wenn die Randbedingungen, unter denen "verschweißt"
wird oder werden soll (eg. Vakuum oder Normalatmosphäre), zusätzlich nicht offenbart,
sondern im Widerspruch zur Breite dessen, was beansprucht wird, verschwiegen werden
(cf. DE 200 12 547 U1) (cf. Metallverschweißung, bei der eine kunststoffreie metallische
Verbindung zwischen mindestens zwei metallischen Seiten zu einer metallischen Verbindung
führt).
[0010] VIP aus kunststoffhaltigen Ummantelungen haben thermisch, chemisch, physikalisch
und mechanisch begrenzte Einsatzgebiete. Effektiv setzen Kunststoffbeschichtungen
nicht nur die Einsatztemperaturen, sondern auch die Verarbeitungstemperaturen und
für eine Herstellung einer VIP und somit die technischen Möglichkeiten wie die kritischen
Eigenschaften einer VIP herab. Im Vakuum versiegelte VIP mit Ummantelungen aus handelsüblichen
Verbundfolien (mit und ohne metallischer Gasbarriereschicht) sind makroskopisch leicht
zu beschädigen und haben eine relativ hohe Schadensanfälligkeit im Verlauf ihrer Lebenszeit
gegen Stoß, angefangen von der Produktion, zum Transport über Installation und Einsatz.
Warum eine "mechanisch beständige Umhüllung" für den stoßfreien Gebrauch der entsprechenden
Paneele per se einen Schutz gegen Perforation durch externe Stoßbelastung liefern
soll (cf. Anspruch 1 in DE 200 12 547 U1), wird nicht offenbart, weil schon zuvor
unterschlagen wurde, daß der als "Vakuum"-IP beanspruchte Gegenstand den entsprechenden
Beweis für ein in ihr enthaltenes Vakuum gar nicht erst antritt. Häufig wird einfach
nur vorausgesetzt, daß der Einsatz von VIP-Ummantelungen aus Stahl und Edelstahl einen
erhöhten Schutz gegen die relative Intoleranz von VIP aus einer Verbundfolien-Ummantelung
ge- genüber Schadenanfälligkeit eine Alternative bietet, ohne ein Verfahren zu offenbaren,
welches diesen Anspruch gewährleistet.
[0011] Gemäß Stand der Technik erhalten Stahl-VIP das Vakuum aber erst nach der Fertigstellung
der Ummantelung unter Normalbedingungen durch Abpumpen bzw. Evakuieren über einen
Absaugstutzen, Ventil etc. (DE 42 14 002, vgl. a. DE 199 14 963 A1): "Nach Herstellung
der Verbindung zwischen den Metallplatten
1 und der Kunststoffschicht
2 wird das Vakuumisolationspaneel über einen nicht gezeigten Stutzen mit einem Unterdruck
versehen". In der beanspruchten Vakuum-IP ist damit der Stutzen und der Verschluß
für die Einbringung und Aufrechterhaltung des Vakuums genauso wichtig wie die in-vacuo
Versiegelung einer in-vacuo hergestellten VIP ohne Stutzen und Verschluß. Obwohl diese
Vakuum-IP extern mit dem Vakuum versehen werden und das entsprechende Druckdifferential
in den entsprechenden VIPs eine hohe Fehlerquelle gemäß Stand der Technik darstellt,
fehlt als unumgänglicher Bestandteil für das
enthaltene Vakuum die Offenbarung einer Vorrichtung und des Verfahrens oder einer anderen Lehre
für das enthaltene Vakuum für die Beibehaltung des Vakuums während und nach Abkoppeln
des Stutzens von einer entsprechenden Pumpe.
[0012] Eine Kombination aus in-vacuo gefertigten VIP mit kompletter Stahlfolienummantelung
und gleichzeitiger Anwesenheit von im Vakuum angefertigten Stirnnähten zur in-vacuo
Einkapselung desselben oder annähernd desselben Vakuums im den Kern der VIP aufnehmenden
Vakuum-Innenraum oder gleichzeitiger Abwesenheit von entsprechenden nicht-lösbaren
Verbindungen für eine Post-konstruktive Herstellung eines internen Isolationspaneelen-"Vakuums"
ist dagegen unbekannt. Es soll noch einmal darauf hingewiesen werden, daß es ein Taschenspielertrick
ist, die Post-konstruktive Herstellung eines internen Isolationspaneelen-"Vakuums"
zu unterschlagen, wenn gleichzeitig eine VIP beansprucht wird, die über eben diese,
aber nicht oder nicht vollständig offenbarte Post-konstruktive Herstellung realisiert
wird. Wenn zusätzlich das Wärmebrückenproblem bei einer Stahl-VIP unter einer signifikanten
Reduzierung der transversalen Wärmeleitung gelöst werden soll, werden gemäß Stand
der Technik transversale Kunststofflächen eingesetzt, i.e. es resultiert ein Stahl-Kunststoff-Verbund.
Aufgrund der den Kunststoffen inhärent anhaftenen relative hohen Ausgasung unter Vakuum
festigt ein Stahl-Kunststoff-Werkstoffverbund innerhalb einer VIP die ohnehin limitierten
Stand der Technik der entsprechenden in-vacuo Fertigungsproduktivität nur noch weiter,
liefert aber keinen Lösungsansatz für ein signifikantes Markterweiterungspotential
für VIP.
[0013] Dem steigenden Bedarf an großflächigen Isolationsmitteln zur (Wärme)Dämmung von Gebäuden
und im Transportwesen steht der Mangel an geeigneten VIP-Herstellverfahren entgegen.
Beliebt sind konstruktive Verbünde von mindestens zwei individuellen VIP, eingeschachtelt
in einem gemeinsamen Blechgehäuse, welches über einen Absaugstutzen unter Normalatmosphäre
unter Vakuum gesetzt wird (cf. DE 42 14 002). So berichtet DE 199 04 799 A 1 über
"mehrere kleine Vakuumdämmpaneelen, die in eine gemeinsame Umhüllung eingebracht sind."
(Col. 2, Zeile 31 - 33). Aber für den beanspruchten VIP-Verbund gibt es offenbar noch
kein Verfahren, weil der beanspruchte VIP-Verbund in DE 199 04 799 A 1 nicht in Abhängigkeit
von einem Verfahren beansprucht wurde. Der Grund ist nicht einfach nur, daß der entsprechende
Verbund nicht funktionieren kann, weil das entsprechende Herstellverfahren in der
Regel ohnehin unabhängig von diesem Verbund funktionieren müßte. In DE 199 04 799
A 1 funktioniert das Verfahren noch nicht einmal umgekehrt, i.e. das Verfahren funktioniert
noch nicht einmal in Abhängigkeit von dem beanspruchten VIP-Verbund, weil die beanspruchte
VIP nicht einmal selber funktionieren kann. Dieser Sachverhalt ergibt sich aus dem
Umstand, daß in DE 199 04 799 A 1 zwar beansprucht wird, daß der Zwischenraum zwischen
Umhüllung und VIP evakuiert wird, nicht aber gelehrt wird, wie die Wand der Umhüllung
gegen eine Kollabierung beim Evakuieren des Zwischeraumes geschützt wird (cf. USP
5,500,305).
[0014] Zugrunde lag der DE 199 04 799 A 1 der Gedanke, gegenüber der Fertigung von VIP nach
DE 42 14 002 kostengünstigeres Hüllenmaterial, einfachere Evakuierungstechnik und
kürzere Evakuierungszeiträume offenbaren zu können (Col. 2, Zeilen 20 - 22). Wenn
aber das Hüllenmaterial kostengünstig ist, sind einfache Evakuierungstechnik und kurze
Evakuierungszeiten noch nicht ausreichend, daß auch die resultierende VIP (stück)kostengünstig
ist. Der Pferdefuß an der DE 199 04 799 A 1 ist die fehlende Vorwärtintegration der
Fertigung, darin ausdrückt, daß die notwendigen Einzelheiten zur Herstellung und Beibehaltung
des Vakuums in der beanspruchten VIP einfach unterschlagen werden. Hierzu zählen nicht
einfach nur die notwendigen Methoden zur Aufrechterhaltung des Zwischenraums während
und nach dem Evakuieren (cf. DE 199 04 799 A 1 vs. USP 5,500,305, s. oben). Vielmehr
sind lösbare Verbindungen wie Absaugstutzen und Ventile instrumental und kritisch
zugleich für das Vakuum in dem entsprechenden "IP"-Verbund, i.e. ohne Absaugstutzen,
Ventil und/oder Verschluß kein "V"IP-Verbund, wie er beansprucht wird. Man kann nicht
versiegeln, wie in Anspruch 6 der DE 199 04 799, und dann evakuieren, ohne anschließend
noch einmal etwas zu verschließen respektive zu versiegeln, damit die VIP auch unabhängig
zu benutzen ist und zum Kunden gelangt. Es ist deshalb nur folgerichtig, daß das Ausführbeispiel
zum in der DE 199 04 799 beanspruchten Verfahren fehlt, da sich das einzige Ausführungsbei-spiel
auf die beanspruchte VIP beschränkt, die aber nicht funktionieren kann (s. oben).
Die Konsequenzen liegen auf der Hand. Die Methodik der unvollständigen Offenbarung
ist auch von anderen Patent-schriften bekannt (cf. DE199 14 963 A1). Gemeinsam ist
diesen Patenten ihr Charakter, potentielle Orte des Versagens der VIP (cf. USP 5,695,844)
wie der Verursachung von Kosten zugleich zu negieren. Sie sind deshalb unzureichend,
zu überzeugen, obwohl die entsprechenden Patentschriften offensichtlich dafür gemacht
wurden, weil natürlich auch jeder Verfahrensansatz fehlt, um die vielen zwar faszinierenden,
aber relativ teuren Füllstoffe in einer resultierenden kostengünstigen VIP umgehen
zu können oder entsprechenden Kompromisse einschlagen zu können.
[0015] So, wie in DE 199 14 963 A1 beanspucht, handelt es sich bei der beanspruchten Paneele
um eine Isolationspaneele ohne Vakuum (in DE 199 04 799 A 1 um Isolationspaneelen-Verbünde
ohne Vakuum, s. oben), weil die in DE 199 14 963 A1 (und DE 199 04 799 A 1, s. oben)
nicht-gezeigten oder nicht offenbarten oder nicht beanspruchten Vorrichtungen für
eine Post-Herstellung des Vakuums in der VIP (VIP-Verbund):
1. sowohl herstellungs- als auch anwendungskritisch sind, wie andere Patente wie zum
Beispiel USP 5,695,844 zeigen.
2. in die Irre führen, weil suggeriert wird, daß die beanspruchten VIP (-Verbünde)
universell vakuumtauglich seien, obwohl eine Randschicht aus einer geringen Wärmeleitfähigkeit
eben nicht per se universell vakuumtauglich ist, wenn sie aus Kunststoff hergestellte
transversale Ummantelungsflächen enthält (cf. DE 199 14 963 A1), ein Zwischenraum
eben nicht per se evakuiert werden kann, wenn der Evakuierungsweg durch Kollabieren
der Wand der (externen) Umhüllung vom Zugang zu einem Absaugstutzen unterbrochen wird
(cf. DE 199 04 799 A 1) und auch eine Schweißnaht noch kein Vakuum in einer VIP schafft
oder beibehält einfach dadurch, daß diese Schweißnaht nur bereichsweise an einer Stirnfläche
einer VIP-Peripherie angebracht wird (cf. DE 200 12 547 U1).
3. nicht nur unvollständig beschrieben, sondern auch unvollständig abgegrenzt sind
(cf. Ansprüche 1 aus DE 199 14 963 A1 vs. DE 200 12 547 U1), weil ja auch VIP ohne
dem, was so alles weggelassen wird, über Kreuz wieder Bestand haben könnten, ohne
aber das eigentliche Problem dabei gelöst wird, nämlich zu offenbaren, wann, wo und
wie das Vakuum Teil des beanspruchten Produktes wird, somit die in DE 199 14 963 A1
(und DE 199 04 799) beanspruchten VIP (-Verbünde) sich auf ungerechtfertigte Weise
gleichstellen und in Konkurrenz treten zu (a) gleichwertig beanspruchten Produkten
(cf. DE 200 12 547 U1), zu (b) ggfs. noch zu offenbarenden in-vacuo versiegelten VIP
(und VIP-Verbünden) und entsprechenden Ansprüchen, die die in-vacuo Herstellung berücksichtigen
und (c) wenn es dann darum geht, Herausforderungen wie die Kontrolle der Wärmebrücke
durch neue Materialverbünde oder Kostenaufwand durch neue Konstruktionen vakuumgerecht
beziehungsweise in einer mit der Vakuumtechnik kompatiblen Weise zu lösen (s. Offenbarung
der Erfindung).
[0016] Es handelt sich in DE 199 14 963 A1, DE 199 04 799 und DE 200 12 547 U1 (hier aufgegriffen
als Stellvertreter für entsprechend beanspruchte VIP und VIP-Verbünde) aber nicht
um VIP beziehungsweise um VIP-Verbünde, weil die VIP und VIP-Verbünde, die ohne dem
existieren, was in DE 199 14 963 A1,DE 199 04 799 A 1 und DE 200 12 547 U1 weggelassen
wurde, nur universell existieren können,wenn sie eine vakuumtaugliche Kombination
aus Evakuierungsvorgang, Verarbeitung- bzw. Fügetechnik, Ma terial und resultierende
notwendige Charakteristika aufweisen. Tatsache ist demnach, daß die in DE 199 14 963
A1, DE 199 04 799 A 1 und DE 200 12 547 U1 beanspruchten VIP und VIP-Verbünde gar
kein Vakuum enthalten können, weil erst nach Fertigstellung der im Hauptanspruch beanspruchten
Eigen-schaften das Vakuum zu dem beanspruchten Isolationspanel hinzugefügt wird beziehungsweise
hinzugefügt werden kann, die Hinzufügung und Absicherung des Vakuums aber nicht beansprucht
wird oder wenn, man dann aber ggfs. auch verzichten kann. Es ist vergleichsweise irrelevant,
was in DE 199 14 963 A1, DE 199 04 799 und DE 200 12 547 U1 beansprucht wird, weil
so gar nicht existieren kann, was beansprucht wird, ohne in einen zumindest technisch
nicht auflösbaren Widerspruch zu geraten.
[0017] Ein wesentlicher Grund für diesen Stand der Technik dürften die zwei grundsätzlichen
Probleme sein, welche mit der Verwendung von Standard-Verbundfolien mit einer viel
zu dünnen Diffusionsbarriereschicht, in der Regel aus Aluminium, für das Verschweißen
von Vakuumisolationspaneelen unweigerlich verbunden sind selbst dann, wenn die Ausführung
des in-vacuo-Versiegelns optimal ausgeführt wurde, und die in den
Bildern 2-2 und 2-3 dargestellt sind. So sind Standard-Verbundfolien nicht nur theoretisch sondern auch
praktisch in ihrer Fläche nicht dicht, weil sie zwangsläufig aufgrund der dünnen Wandstärke
von nur 7 µm ihrer mit "dry-Laminatschichten" umgebenen Aluminiumdiffusisonsbarrierenschicht
sogenannte "pin-hole" enthalten. Hinsichtlich dieser dem Fachmann bekannten Problematik
soll auf die einschlägige Literatur hingewiesen werden, i.e. s. :
"High barrier Film", Firmenbroschüre, TOYO Aluminium K.K., 2000.5.17
A. Sugiyama, H. Tada, M. Yoshimoto, "Gas permeation through pinholes of plastic film
laminated with Aluminium foil", Vuoto, Vol. XXVIII, N.1-2 - Gennaio-Giugno 1999.
"pin-holes" sind in allen Schichtmaterialien unterhalb einer kritischen Wandstärke
enthalten, so auch in Edelstahlfolien. Die Erfindung basiert darauf, daß die verwendeten
Folien die in Anspruch 1 gelehrten Verfahrenskriterien voraussetzen und unabhängig
vom Material der metallischen Diffusionsbarriereschicht quer zu ihrer Oberfläche unter
anderem eine Wandstärke von ≥ 15 µm enthalten, deren erfolgreiches in-vacuo Fügen
durch Verfahren nach Anspruch 1 gesichert wird.
[0018] Ein zweites Dilemma ist mit der resultierenden Heißsiegelnaht bei Verwendung dieser
Standard-Verbundfolien gegeben. In dem einen Grenzfall, bei dem eg. durch Überhitzung
der ebenfalls enthaltene Kunststoff im Vakuum vollständig ausgedampf sein soll, wird
eine maximale Wandstärke der in-vacuo Verbindung von eben der Wandstärke der Diffusionsbarriereschicht
erzielt und die "pin-hole" Problematik im Produkt eines jeden noch so guten Verfahrens
in der einen oder anderen Form reproduziert. In dem anderen Grenzfall, in dem überhaupt
kein Kunststoff der Ausgangsfolie beim in-vacuo Versiegeln verschwindet, diktieren
die Diffusionseigenschaften des Kunststoffes zumindest in der in-vacuo Heißsiegelnaht
nach wie vor die Dichtungseigenschaften der Vakuumisolationspaneele, wenngleich die
metallische Schicht einer von pinholes abhängige Diffusionsbarriere diese Diffusionseigenschaften
zumindest großflächig ausschließt. Dieses Problem ist in
Bild 2 - 2 dargestellt.
[0019] Auch enthält der Stand der Technik viele unscharfe Grenzen und vermeintlich ähnliche
Eigenschaften der hier offenbarten und beanspruchten Verfahren und Produkte. Eine
Auswahl davon soll hier diskutiert werden.
DE 42 06 563 A1
[0020] Hinsichtlich der Strahlungsquelle in DE 42 06 563 A1 gelten die unter DE 198 01 612
C1 weiter unten gemachten Ausführungen zu den Vakuumkammern für undefinierte Laserbearbeitung,
i.e. keine der Merkmale des in den Abschnitten a) - f3) des Anspruches 1 des hier
offenbarten und beanspruchten Verfahrens wird durch die in DE 42 06 563 A1 offenbarte
Vorrichtung gewährleistet und ist auch nicht das Ziel (vgl. weiter unten).
[0021] Insbesondere enthalten die Verfahren, für die die Vorrichtung nach DE 42 06 563 A
1 vorgesehen ist, keine "Bildung einer in-vacuo Verbindung durch eine in-vacuo Relativbewegung
des mindestens einen Exemplars und einer vakuumtauglichen Fügeapparatur zueinander
für eine Energiezufuhr und resultierende Verbindungsbildung", weil:
1. Ziel der DE 42 06 563 A 1 nicht eine den x-, y- und z-Raum ausnutzende Bewegung
für die Bildung einer Schweißnaht, sondern die Positionierung und Ausrichtung entsprechender
Orte vor Bildung einer Schweißnaht (Spalte 2, Zeilen 52 - 63) ist. Es wird keine Bewegung
des mindestens einen Exemplars entlang einer Löt- oder Schweißnaht offenbart (vgl.
Spalte 3, Zeile 57) oder beansprucht, sondern nur die Positionierung und Ausrichtung
von komplizierten Werkstücken mit möglichen Orten für deren Bildung eg. an einer Hinterschneidung (vgl. Fig. 13 und entsprechende Diskussion
in Spalten 1 und 2 in DE 42 06 563 A1).
2. das Vakuum auch deswegen undefiniert bleibt, weil drei oder mehr rotierende Stangen
außerhalb der betreffenden Kammer betätigt werden und ein entsprechendes Verfahren
durch die entsprechende Kammerwandungsperforation, die für diese Stangen aber die
einzig offenbarte Möglichkeit für einen Antrieb der betreffenden Löt- und Schweißvorrichtung
darstellen, mit einem Leckproblem konfrontieren, je höher das Vakuum (i.e. je größer
der Vakuumunterdruck bzw. je niedriger der Kammerdruck) ist und die Vakuumtauglich
der betreffenden Fügeapparatur vom Vakuum selbst abhängt. Dies ist ein Grund, warum
der Fügebereich in DE 42 06 563 A1 kein Unterdruck-Gleichgewicht mit dem Hintergrundsvakuum
enthält. Es verwundert deshalb nicht, daß die Bildung einer in-vacuo Verbindung von was auch immer in DE 42 06 563 A1 nicht offenbart wird.
Demgegenüber ist das Verfahren nach DPA 101 55 028.6-41 Leck-frei und es werden in
DPA 101 55 028.6-41 detaillierte Ausführungsbeispiele für die "Bildung einer in-vacuo
Verbindung durch eine in-vacuo Relativbewegung des mindestens einen Exemplars und
einer vakuumtauglichen Fügeapparatur zueinander für eine Energiezufuhr und resultierende
Verbindungsbildung" offenbart. Die Vorrichtung nach DE 42 06 563 A1 ist deshalb inkompatibel
mit dem hier offenbarten und beanspruchten Verfahren.
3. aus einer Beweglichkeit einer Tragplatte nicht hervorgeht, was diese Beweglichkeit
mit der "Bildung einer in-vacuo Verbindung durch eine in-vacuo Relativbewegung des
mindestens einen Exemplars und einer vakuumtauglichen Fügeapparatur zueinander für
eine Energiezufuhr und resultierende Verbindungsbildung" zu tuen haben könnte und
deshalb zwingend keine der Merkmale d), e), f1) - f3) und deren Kombination enthalten
ist.
4. die entsprechende Energiezufuhr durch eine Strahlungsquelle erfolgt, die keine
eigene Bewegung entlang einer Schweißnaht erlaubt.
[0022] Eine in-vacuo Relativbewegung, also auf der Basis der wechselseitig möglichen Bewegung
von mindestens einem der Verfahrensbestandteile "mindestens ein Exemplar" und/oder
"vakuumtaugliche Fügeapparatur" zueinander für eine Energiezufuhr und resultierende
Verbindungsbildung wie in Anspruch 1 hier beanspucht und im Unteranspruch 5.A und
C konkretisiert ist, ist demnach in DE 42 06 563 A1 nicht enthalten.
[0023] Ferner wird kein Antrieb oder eine Steuerung und Regelung oder ein Fertigungsautomat
wie in Anspruch 6.B hier offenbart, sondern nur eine "freie" (Spalte 1, Zeile 59)
Steuerung eines Werkstückes während der Positionierung vor Bildung einer Verbindungsbildung
von Hand (Spalte 2, Zeile 3). Somit ist keine Konstanz der Beweglichkeit, geschweige
denn der plastischen Verformung oder Stauchung oder der Geschwindigkeit eines mindestens
einen Exemplars , somit auch keine Relativbewegung des mindestens einen Exemplars
und einer vakuumtauglichen Fügeapparatur zueinander für eine Energiezufuhr und resultierende
Verbindungsbildung mit den in den Abschnitten e) und f1) - f3) des Anspruches 1 beschriebenen
Merkmalen des beanspruchten Verfahrens in DE 42 06 563 A1 enthalten.
DE 198 01 612 C1
[0024] Keine der Merkmale des in den Abschnitten a) - f3) des Anspruches 1 des hier offenbarten
und beanspruchten Verfahrens wird durch die in DE 198 01 612 C1 offenbarte Vorrichtung
gewährleistet und ist auch nicht das Ziel, sondern Vakuumkammern für undefinierte
Laserbearbeitung großer Werkstückflächen, weil nur Vorrichtungen für Bewegungen, aber
keine
1. zu bearbeitenden Materialien,
2. in-vacuo Verbindung,
3. Kühlfalle oder sonstige Vakuumkontrolle (vgl. Punkt 2. der weiter unten dargestellten
Ausführung 8),
4. angewandte Energien für den Laser offenbart oder beansprucht werden. Eine Kühlfalle
für die in DE 198 01 612 C1 offenbarte Vorrichtung wäre aber das mindeste, was notwendig
wäre, um ein Vakuum vor exzessiver Ausgasung infolge von unsachgemäßer Anwendung von
leichtausgasenden Materialien für einen gegebenen Laser oder von überhöhter angewandter
Laserenergie für ein gegebenes Material mit einer entsprechenden Vorrichtung zu schützen.
Folglich kann die Vorrichtung in der in DE 198 01 612 C1 offenbarten Form nicht für
das in DPA 101 55 028.6-41 beanspruchten Verfahren angewandt werden. Der Effekt der
Vorrichtung in DE 198 01 612 C1 auf die einzelnen Merkmale des in Anspruch 1 der DPA
101 55 028.6-41 beanspruchten Verfahrens ist wie folgt:
zu a) und c): ein definiertes Vakuum geht durch exzessive Ausgasung verloren, folglich
auch ein Unterdruck-Gleichgewicht wie in DPA 101 55 028.6-41.
zu b), d) und e) bis f3): eine resultierende Verbindungsbildung insbesondere mit den
Merkmalen in den Abschnitten e) - f3) des Anspruches 1 wird unmöglich, dadurch auch
eine in-vacuo Verbindung mit den Merkmalen im Abschnitt b) des Anspruches 1.
DE 100 00 260 C1
[0025] Der in DE 100 00 260 C1 offenbarte doppelwandige Isolierkörper besitzt keine erfindungsrelevante
oder neuheitsschädliche Ähnlichkeit mit den in DPA 101 55 028.6-41 in den Ansprüchen
10, 12, 15 und 16 beanspruchten VIPs besitzt.
[0026] Der beanspruchte doppelwandige Isolierkörper in DE 100 00 260 C1 ist funktionsuntüchtig,
weil er sich mit guten Heißsiegel
eigenschaften "eines" (!) nicht-metallischen
Materiales des Dichtungsprofils (3) begnügt, welches das Dichtungsprofil (3) mit einer Beschichtung
versieht oder es konstituiert und ihm gleichzeitig niedrige Wärmeleitfähigkeit verleiht,
die großflächige Heißversiegelung selbst dagegen durch "Aktivieren" von nicht definierten
Heizelementen 14a, 14b, 16e, 16f hergestellt und durch "Erkalten der heißversiegelten
Flächen" "fertig" wird.
Beweis
[0027] Spalte 4, Zeilen 6 - 10, 22 - 25 und 47 - 51.
Begründung
[0028] Wenn sich aber die Erkaltung auf heißversiegelte "Flächen" gemäß der Offenbarung
zur Bildung der großflächigen Heißversiegelung beschränkt, kann der nicht-offenbarte
Werkstoff des nicht-metallischen Materials nicht aktiviert worden sein, damit der
evakuierte Hohlraum dauerhaft vakuumdicht verschlossen bleibt. Dies ergibt sich zum
einen aus der Tatsache, daß weder "heißversiegelte Flächen" eine"großflächige Heißversiegelung
eines evakuierten Hohlraumes" darstellen noch das beanspruchte Dichtungsprofil (3)
aus dem einen nicht-offenbarten Werkstoff bestehen kann, der dem Dichtungsprofil (3)
gute Heißsiegeleigenschaften verleiht und gleichzeitig mit einem Versteifungsmaterial
(10) ausfüllt, das "eine niedrige Wärmeleitfähigkeit hat" (s. Unteransprüche 3 und
5 in DE 100 00 260 C1). Auch ein solches Material ist in DE 100 00 260 C1 nicht offenbart
worden.
[0029] Die bloße Aktivierung von nicht definierten Heizelementen ohne Regelung oder Steuerung
oder Angabe einer präzisen Temperatur, eines präzisen Druckes oder einer präzisen
Preßzeit auf die großflächige Versiegelung der Heißversiegelung erlaubt in DE 100
00 260 C1 keine konstante thermisch aktivierte Stauchung und Projektion, weil keine
Widerstandsdrähte der Heizelemente mit konstantem Durchmesser und Härte, Planebenheit
oder glatter Oberfläche und keine präzise Temperatur und infolgedessen keine homogene
Verteilung der Verformung und Temperatur entlang der großflächigen Heißversiegelung
offenbart werden wie in Anwendungsbeispiel 2 der DPA 101 55 028.6-41. Der Isolierkörper
in DE 100 00 260 C1 wäre auch dann funktionsuntauglich, wenn das eine Material des
Dichtungsprofils (3) oder eine Unterscheidung dieses Material von (s)einem Versteifungsmaterial
(10) offenbart worden wäre.
[0030] Für eine homogene Verteilung bzw. eine konstante plastische Verformung oder Stauchung
des mindestens einen Exemplars senkrecht zu der in-vacuo Verbindung ohne anschließendem
Versagen (s. Anwendungsbeispiel 2 und Abschnitt f1) in Anspruch 1 der DPA 101 55 028.6-41)
ist bei der Herstellung insbesondere einer vakuumtauglichen Heißversiegelung, die
großflächig sein soll, neben der Anwendung einer präzisen Temperatur T
S, eines präzisen Druckes P
S und einer präzisen Preßzeit t
S, aber das dazugehörige Material, aus dem die Heißversiegelung bestehen soll, anzugeben,
weil sonst unsachgemäße Bedingungen angewandt werden. In DE 100 00 260 C1 werden die
Heizkörper nur so "aktiviert", daß die versiegelten Flächen "erkalten", für ein Erstarren
eines Versiegelungsmaterials nach seinem Aufschmelzen ist' dies aber unter der Maßgabe,
daß keine präzisen Angaben, Steuerung oder Regelung zu T
S, P
S und t
S offenbart werden, zu wenig "Aktivierung".
[0031] Es ist deshalb auch nur konsequent, wenn die Isolierkörper in DE 100 00 260 C1 nicht
nur für den unbelasteten Zustand, sondern gerade auch für den Zustand unter Belastung
ungeeignet sind, ist doch die entsprechende Heißversiegelung der schwächste Teil des
Isolierkörpers in DE 100 00 260 C1 (s. Spalte 2, Zeilen 49 - 55 in DE 100 00 260 C1).
[0032] Demgegenüber enthalten die in den Ansprüchen 10, 12, 15 und 16 beanspruchten VIPs
in der DPA 101 55 028.6-41 bei einer Heißversiegelung eine konstante thermisch aktivierte
Stauchung und Projektion, weil in Anwendungsbeispiel 2 nicht nur homogene T
S, P
S und t
S offenbart werden, sondern diese auch auf das entsprechende Material (i.e. Polyethylen,
Nylon oder Teflon) bei geeigneten Widerstandsdrähten der entsprechenden Heizelemente
abgestimmt wurden. Es versteht sich, daß nur die VIPs in DPA 101 55 028.6-41, nicht
aber der Isolierkörper in DE 100 00 260 C1 eine Heißversiegelung mit dem Merkmal des
beanspruchten Verfahrens gemäß Abschnitt f1) in Anspruch 1 der DPA 101 55 028.6-41
enthält, welches den VIPs in Ansprüchen 10, 12, 15 und 16 der DPA 101 55 028.6-41
verliehen wird. Demgegenüber taugt das in DE 100 00 260 C1 beanspruchte Verfahren
nur zur Herstellung funktionsuntauglicher Isolierkörper und benötigt selbst hierfür
noch zwei Arbeitsschritte (Ansprüche 9 und 10 in DE 100 00 260 C1).
Ziel der Erfindung
[0033] Durch neue Vakuum-Verfahren wie automatisiertes thermisches Versiegeln, Schweißen
in einer flüssigen Phase oder im Festkörper sowie kunstoffreies Verbinden durch Löten
und anorganische Klebverbindungen in einem Vakuum werden neue in-vacuo Strukturen
und VIP mit niedrigem oder optimiertem Kosten-Leistungsverhältnis für Energieflußbarrieren
("Wärmedämmung") in Transport, Gebäude und technischem Gerät offenbart. Erst die in-vacuo
durchgeführte Füge- und Verbindungstechnik und die damit einhergehenden Freiheitsgrade
in Produkt-Dimensionierung und Fertigungstechnik erlauben die aus DE 199 14 963 A1,
DE 199 04 799 und DE 200 12 547 U1 als Vergleich herangezogenen und dort vakuumtechnisch
unzureichend offenbarten und beanspruchten VIP und VIP-Verbünde. Erst der Einsatz
neuer und automatisierter Vakuumfügeverfahren unter Einsatz ausgesuchter Widerstandsschweißverfahren
wie eg. des Rollenschweißens oder das Laserschweißen und das Direkte Löten ermöglichen
die Anwendung neuer VIP-Folienmaterialien wie hochschmelzende Metallfolien einschließlich
Stahl, Titan und Tantal und damit den Zugang insbesondere zu Metallfolien-VIP und
ganz generell zu kunststoffreien VIP-Folien ohne lösbare Vorrichtungen für eine Post-Vakuumherstellung
zwecks Wärmeisolation, wie vielfach nur suggeriert wird. Erst der Einsatz neuer Randbedingungen
für automatisierte Vakuumverarbeitungsverfahren erlaubt es die genannten Beschränkungen
der Ansätze für eine wirkliche industrielle Produktion von VIP und anderen, notwendigerweise
unter Vakuum gefertigten Strukturen und Produkten zu überwinden. Dabei werden neue
Anwendungen von technisch verbesserten VIP mit höherer mechanischer, thermischer,
chemischer und physikalischer Belastbarkeit ermöglicht. Es werden beliebige Strukturen
einschließlich solcher mit komplexer und ggfs. filigraner Gestalt und mindestens einer
Fügestelle wie zum Beispiel mindestens eine Schweißnaht unter den Bedingungen einer
ganzheitlich unter bzw. in einem Vakuum automatisierten Fertigung möglich.
[0034] Ziel der Erfindung ist es, durch neuheitliches in-vacuo Fügen und den Einsatz besserer
Einsatzwerkstoffe für in-vacuo gefertigte Produkte das Spektrum ihrer Vermartktbarkeit
signifikant zu erhöhen, den Aufwand für die Bereitstellung eines Vakuums bei der Herstellung
einer Produktionseinheit einer ganzheitlich unter Vakuum hergestellten Struktur zu
reduzieren. Als Beispiel wird hier die Produktionseinheit einer VIP genommen, und
der Stand der technischen Anwendbarkeit sowie der Rezyklierbarkeit der VIP, hier insbesondere
die Rezyklierbarkeit ihrer Ummantelung, i.e. des Folienmaterials von VIP, erweitert,
(i.e. verbesserte Anwendbarkeit und verbesserte Rezyklierbarkeit vs. Stand der Technik),
worin die Produktionseinheit einer VIP ein oder mehrere Exemplare der VIP, in jedem
Fall aber ein ganzheitliches Vielfaches N einer VIP sein soll. Zugrunde liegt der
Erfindung die Ausweitung der Materialien für verbesserte Produkteigenschaften durch
reduzierten Aufwand für die Herstellung des notwendigen Vakuums für die anschließende
Herstellung von VIP sowie der Beschleunigung des Geschwindigkeits-bestimmenden in-vacuo
Fügeschrittes während einer charakteristischen in-vacuo Relativbewegung während des
in-vacuo Fügevorganges. Der entsprechend erweiterte Nutzen entsprechender Strukturen
wie der Vakuumisolationspaneele erweitert somit ihren wirtschaftlichen Einsatz und
umgekehrt die technische Tiefe an erweiterten VIP-Fertigungsverfahren und -methoden,
die dafür erforderlich sind.
[0035] So wird unter anderem offenbart, wie es realisiert wird, daß eine Komplett-Umhüllung
einer VIP aus Stahl zum Beispiel gegenüber Aluminium bei gleicher Wandstärke eine
etwa achtmal geringere Leitfähigkeit liefert und auf diese Weise eine gewisse Lösung
des Wärmebrückenproblems an den transversalen Ummantelungen einer VIP aus dem entsprechenden
Material anbietet, ohne auf weitere neuheitlichen Material- und Fertigungseinsatz
zurückgreifen zu müssen. Schließlich werden neuheitliche Fertigungsund Materialeinsätze
für eine umfassende und vakuumgerechte Lösung des Wärmebrückenproblems bei erhöhter
Schadenstoleranz der VIP und für signifikante Markterschließung durch VIP offenbart.
Offenlegung der Erfindung
[0036] Unter in-vacuo-Fügen wird das in-vacuo-Verbinden und sonstiges in-vacuo-Zusammenbringen
wie das Versiegeln mindestens eines ganzheitlich in einem Vakuum untergebrachten Vorproduktes
mit nach Einfachheit und Hochgeschwindigkeits-Fügepotential ausgesuchten in-vacuo-Fügeverfahren
verstanden.
[0037] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein großtechnisches Vakuumfügen für ein
industrielles in-vacuo Fügen individueller Strukturen bei niedrigem Stückkosten-Leistungsverhältnis
(eg. in einer in-vacuo Fertigungskette) zu schaffen durch
a) ein definiertes Vakuum in einem Fügebereich in einer Vakuumkammer, welches ein
Unterdruck-Gleichgewicht zu einem definierten Hintergrunds-Vakuum in der Vakuumkammer
aufweist, und
b) eine in-vacuo Relativbewegung als vorangige Verfahrensvariable für eine aus Aufschmelz-Schweißnaht,
Festkörper-Schweißnaht, Hart-Lötnaht, Weich-Lötnaht oder anorganischer Klebstoffverbindung
bestehende in-vacuo Verbindung.
[0038] Für das im dreidimensionalem Raum ablaufende Verfahren gibt es eine unendliche Schar
von senkrechten Ebenen zu einer Schweißnaht, in dem unendlich viele Ebenen enthalten
sind, die zueinander senkrecht stehen. Es wäre also falsch, sich auf eine auf zwei
senkrechte Ebenen eingeengte Denkweise zu kaprizieren und "zwei senkrechte Ebenen"
als Argument für ein Limitierungskriterium zu betrachten. Auch sind in der vorliegenden
Anmeldung Schweißnähte selbst räumliche Gebilde mit einer Mikrostruktur. Eine Reduktion
einer Naht auf eine eindimensionale Linie wäre erfindungsfeindlich und irrelevant
für die vorliegende Erfindung. Auch sei darauf hingewiesen, daß ein Vektor eine Richtung,
einen Richtungssinn, einen Betrag und eine Lage im Raum enthält.
[0039] Ein definiertes Vakuum überdauert in dem offenbarten und beanspruchten Verfahren
gemäß Anspruch 1 aufgrund ausgesuchter Methoden für das Fügen im Vakuum (s. Unteransprüche
3, 7 und 8) sowie aufgrund ausgesuchter Materialien für das entsprechende Fügen (vgl.
Unteransprüche 21 bis 25) eine entsprechende in-vacuo Fügeaktion. Dafür werden sorgfältig
ausgesuchte Fügeenergien' über eine wohlbegründete Selektion von Methoden für die
Zuführung der entsprechenden Energieform offenbart. Diese Energieformen aber machen
in Verbindung mit der Auswahl der Methoden für die Zuführung der entsprechenden Energieform
die Kontrolle der Ausgasung in das Vakuum mit der resultierenden Kontrolle des beanspruchten
Verfahrens erst möglich. Andere Fügeenergien würden das Verfahren unmöglich machen,
darunter eine Konstanz einer Vordefinition eines Vakuums vor Durchführung des Verfahrens
für ein Vakuum während der Durchführung des Verfahrens, somit insbesondere die in
den Abschnitten c) und f1) - f3) des Anspruches 1 beschriebenen Merkmale des beanspruchten
Verfahrens. Deshalb sind die Merkmale a) bis e) mit den Energieformen und dem Vakuumzustand
und allen anderen Abschnitten des Anspruches 1 wie Merkmale f1 bis f3 des beanspruchten
Verfahrens verbunden.
[0040] Das erfinderische und neuheitliche Verfahren besteht u.a. aus:
1. dem in einem Vakuum ganzheitlich ausgeführtem und "getter"-Material-freiem "Fügen" von Vorprodukten (s. Zeilen 1 - 2, Abstrakt),
2. "in einer Vakuumkammer eine ganzheitliche "Aussetzung" mindestens eines Exemplares mindestens eines Vorproduktes an ein definiertes Vakuum"
(Verfahrensmerkmal in Abschnitt a) des Anspruches 1.), somit wird die Ausgasung unterschiedlicher
Materialien in unterschiedlichen energetischen Zuständen berücksichtigt,
3. c) der in-vacuo Fügebreich enthält ein "Unterdruck-Gleichgewicht" mit dem definiertem Vakuum (Verfahrensmerkmal in Abschnitt c) des Anspruches 1.).
[0041] DE 40 15 895 C enthält dagegen:
1. die Verfahren, für die die Vorrichtung nach DE 40 15 895 C vorgesehen ist (vgl.
Spalte 5, Zeilen 34 - 37; Spalte 6, Zeile 28 in Anspruch 1) einen Brenner für die
Energiezufuhr und resultierende Verbindungsbildung entlang der Verbindungsstelle enthalten,
während die Energiezufuhr und resultierende Verbindungsbildung entlang der Verbindungsstelle
mit dem Verfahren nach DPA 101 55 028.6-41 aber Brenner-frei sind, die Vorrichtung
nach DE 40 15 895 C deshalb inkompatibel mit dem Verfahren nach DPA 101 55 028.6-41
ist. Dies ist ein Grund, warum der Fügebereich in DE 40 15 895 C kein Unterdruck-Gleichgewicht
mit dem Hintergrundsvakuum enthält.
2. eine Vorrichtung für das Schweißen unter Schutzgas offenbart (vgl. Spalte 5, Zeilen
63 - 66), welches ein Unterdruck-Ungleichgewicht zwischen Fügebereich und Hintergrundsvakuum gerade dann schafft, wenn bei
Unterdruck nach DE 40 15 895 C verfahren wird.
3. über eine manuelle betriebene Fertigung (vgl. Spalte 5, Zeilen 20 - 25.und 38 -
42) hinaus keinen Antrieb offenbart, die eine Konstanz der plastischen Verformung
oder Stauchung oder der Geschwindigkeit des mindestens einen Exemplars erlaubt, und
Steuer- und Regelung auf Ventile beschränkt bleiben (vgl. auch Spalte 7, Zeilen 56
- 59 in Anspruch 17).
4. keine Relativbewegung enthält, insbesondere nicht mit den in den Abschnitten e)
und f1) - f3) des Anspruches 1 beschriebenen Merkmalen des beanspruchten Verfahrens
enthält.
[0042] Die Offenbarung im Ausführungsbeispiel 1 offenbart die Randbedingungen für die Anwendung
diskreter Vakuum-Regime wie Grobvakuum und Hochvakuum im beanspruchten Verfahren nach
Anspruch 1 (s. S. 16, Zeilen 4 - 29) und sie zum Beispiel in den Anwendungsbeispielen
10 und 13 auf das Hochvakuum bezogen weiter ausführt. Das in Anspruch 1 beanspruchte
Verfahren wird deshalb in Abschnitt A des Anspruches 2 unter absoluter Rechtsgültigkeit
weiter limitiert (s. a. Anhang zum Verfahren in (3), welches nicht für die Anwemdung
eines Hochvakuums geeignet ist.) Demgegenüber enthält der Stand der Technik keine
für ein Unterdruck-Gleichgewicht gemäß Anspruch 1 taugliche Vakua.
[0043] In diesem Zusammenhang soll auf die Offenbarung der Ausführungsbeispiele mit den
Randbedingungen für die Anwendung
eines Wertes im Vakuum-Regime von 10
-12 bis 0,95 bar im beanspruchten Verfahren nach Anspruch 1 verwiesen werden, in denen
nachgewiesen wird, daß das in Anspruch 1 beanspruchte Verfahren unter absoluter Rechtsgültigkeit
von Unteransprüchen weiter limitiert wird.
[0044] Es geht hier nicht um ein Druck-Regime, sondern um die Tatsache daß das Unterdruckgleichgewicht
in Anspruch 1 einen diskreten Druck-Wert in einem enthaltenem Vakuumregime enthält.
Voraussetzung hierfür sind beispielsweise die in den Ausführungsbeispielen 1, 10 und
13 offenbarten Randbedingungen für die Anwendung diskreter Vakuum-Regime wie Grobvakuum
und Hochvakuum im beanspruchten Verfahren nach Anspruch 1 (s. oben). Druckschwankungen
in einem Vakuum über einen diskreten Druckwert hinaus sind dagegen zwingende Konsequenz
in den Verfahren, die mit den im Stand der Technik offenbarten Vorrichtungen betrieben
werden.
[0045] In den unabhängigen Produktansprüchen 17, 19, 22 und 23 werden neuartige und erfinderische
Vakuumisolationspaneele beansprucht, worin das beanspruchte Verfahren in den Ansprüchen
1 bis 14 eine Möglichkeit ist, diese erfinderischen und neuen VIP herzustellen, während
die übrigen der Produktansprüche von den unabhängigen Produktansprüchen abhängige
Produktansprüche sind. Auch kann der Stand der Technik nicht den Begiff "Relativbewegung"
für sich in Anspruch nehmen, nur wenn sich etwas relativ zu etwas anderem bewegt,
weil der Begriff "Relativbewegung" die Beweglichkeit sowohl von Exemplar als auch
von Fügeapparatur voraussetzt, sofern nicht anders gekennzeichnet. Dies ist im Stand
der Technik nicht der Fall.
Bild 1 Anschnitt des Querschnittes einer Vakuumisolationspaneele mit 1 Lasche, 2 in-vacuo hergestellter Schweißnaht, 3 Ummantelung aus einer Folie und 4 Dämmkern aus eg. pyrogener Kieselsäure-Platte unter einem Vakuum.
Bild 2 Draufsicht auf eine Vakuumisolationspaneele mit 2 in-vacuo hergestellter Schweißnaht, 3 Ummantelung des VIP-Kerns mit Füllstoff unter einem Vakuum, 5 unter Normalatmosphäre gefertigte und über 3 hinausstehende Lasche der Breite x1 und 6 aus dem in-vacuo Schweißvorgang hervorgehende Lasche der Breite x2.
Bild 2 - 2 Schematisch vergrößerte Gegenüberstellung von (i) (oben) 70 Kunststoff-Verbundfolien-Versiegelung mit 71 Gas-Diffusionswegsweg durch eine 79 HDPE-Heißsiegelnaht mit einer 80 Standardbreite mit einem Wert von 10 mm, welche als Standard-Folie für die Fertigung
einer Vakuumisolationspaneele verwandt wird, worin ein Folienaufbau enthalten ist,
worin der Folienaufbau eine 72 O-Nylon (Wandstärke 15 µm), 73 Trockenlaminierung ("dry lamination"), einen 74 VM PET-Film (Wandstärke 12 µm), eine 75 erneute und zweite Trockenlaminierung ("dry lamination"), 76 Aluminiumfolie mit einer Wandstärke von 7 µm und einer durchschnittlichen Anzahl
von sogenannten "pin-holes" von 12 "pin-holes" pro Quadratmeter, i.e. 12/m2, 77 erneute und dritte Trockenlaminierung ("dry lamination"), und einen 78 HDPE-Film mit einer Wandstärke von 50 µm und einem Kristallitschmelzpunkt von 126
- 136° C enthält, worin dieser HDPE-Film zu einer maximalen Anwendungstemperatur von
80°C über eine Anwendung einer Vakuumisolationspaneele in einem Zeitraum von mehreren
Jahren erlaubt, vs. (ii) (unten) 81 Diffusionsweg-freie Metallfolienversiegelung, worin die Diffusionsweg-freie Metallfolienversiegelung
hier Diffusionsweg-frei ist aufgrund der Abwesenheit einer Verwendung von kunststoffhaltigen
Materialien in einem für die Diffusionsweg-freie Metallfolienversiegelung verwendeten
Folienmaterial wie zum Beispiel eine 82 pin-hole-freie Stahlfolie mit einer Wandstärke mit einem Wert von ≥ 15 µm (vgl. auch
weiter unten).
Bild 2 - 3 Problematik der Verwendung von Standard-Kunstoffverbundfolien als einen Folienwerkstoff
für eine Vakuumisolationspaneele (VIP), worin der Folienwerkstoff eine Aluminiumfolie
mit einer Wandstärke von 7 µm enthält, hier mit (i) (oben) 83 entsprechender Oberfolie und 84 entsprechender Unterfolie, einem 85 Füllwerkstoff und zweier resultierenden Schnitte durch die entsprechende Heißsiegelnaht
79 mit der Standard-Laschen- oder Flanschbreite 80 von 10 mm sowie Andeutung der zwei grundsätzlichen Probleme via 86 Gasdiffusion durch die Heißsiegelnaht und 87 Gaseindringung beziehungsweise Gasmigration beziehungsweise Gasströmung via "pin-hole"-Perforation
in den entsprechenden einer Atmosphäre mit einem höheren Druck zugewandten VIP-Oberflächen
sowie (ii) (unten) durch den Nullpunkt gehender Graph der Durchdringungsrate als Funktion
der "pin-hole"-Größe für eine Standard-Kunststoffverbundfolie einer Standard-Vakuumisolationspaneele,
worin die Standard-Kunststoffverbundfolie eine 7 µm dicke Aluminiumschicht enthält.
Bild 2 - 4 Schematische Darstellung (i) (oben) einer 90 typischen Öffnung für geregelte Gasaustrittsströmung aus einem Innenraum einer Vakuumisolationspaneele
während einer erfindungsgemäßen in-vacuo Evakuierung des Innenraumes der Vakuumisolationspaneele
vor einem Verschließen durch eine der erfindungsgemäßen Varianten einer in-vacuo Verbindungsbildung
gemäß des in Anspruch 1 gelehrten Verfahrens, worin die Vakuumisolationspaneele zum
Beispiel eine 88 Oberfolie aus Edelstahl und eine 89 Unterfolie aus Edelstahl mit einer Wandstärke mit einem Wert ≥ 15 µm enthält, in
jedem Falle aber ein Folienmaterial enthält, welches erlaubt, daß diese typische Öffnung
eine stabile Form während der in-vacuo Evakuierung beibehält, worin die Oberfolie
eine Außenkante mit einer Bogenlänge der Oberfolie, 1B2 (91), entlang der Verbindungslinie einer in-vacuo Verbindung und die Unterfolie eine
Bogenlänge der Unterfolie, 1B1 (92), entlang der Verbindungslinie der in-vacuo Verbindung enthält, worin der entsprechende
Wert von 1B2 (91) mit dem entsprechenden Wert von 1B1 (92) identisch ist, i.e. 1B2 (91) = 1B1 (92), worin (Mitte) weiter die Unterfolie eine 93 Schalenform enthält, worin die Schalenform eine vom Innenraum weggekippte Außenkante
94 einer Lasche oder eines Flansches der Unterfolie enthält, worin die Standard-Laschen-
oder Flanschbreite 80 hier schraffiert dargestellt ist und die Außenkante einen vom Innenraum wegführenden
Bogen enthält, der zwar nach Verschließen der Vakuumisolationspaneele komplett in
der Zeichenebene liegt, gegenüber seiner Konfiguration nach dem Verschließen aber
eine aus der Zeichenebene herausführende als auch eine in der Zeichenebene von der
entsprechenden Horizontalen wegführende Bewegungsrichtung enthält, während die Oberfolie
in der Regel nur einen von der in der Zeichenebene enthaltenen Horizontalen vom Innenraum
weg- und hochgebogenen Bogen der Oberfolie (mit der Bogenlänge 1B2 (91)) vor Verschließen der Vakuumisolationspaneele enthält. Bildes 2 - 5 zeigt (unten) den entsprechenden Querschnitt der Vakuumisolationspaneelenöffnung
in einer Preßvorrichtung mit (links) der 90 typischen resultierenden Öffnung der Vakuumisolationspaneele zwischen oberem und
unterem Preßwerkzeug vor entsprechendem Verschließen und (rechts) dem resultierendem
Querschnitt dieses Bereichs der Vakuumisolationspaneele nach Verschließen in und mit
eben dieser Preßvorrichtung, aber noch vor der in-vacuo Verbindungsbildung, worin
die Pfeile die Bewegungsrichtung der Presswerkzeuge während des in-vacuo--Schließvorganges
der Vakuumisolationspaneele angeben.
Bild 2 - 5 Schematische Darstellung verschiedener Querschnitte von durch in-vacuo Laser-Schweißen-und-Schneiden
hergestellten Vakuumisolationspaneelen, worin diese Vakuumisolationspaneelen eine
"pin-hole"-freie Edelstahlfolien-Umhüllung mit einer Wandstärke von 70 µm in der jeweiligen
Ober- und Unterfolie sowie eine Laserschweißnaht L enthalten, worin die Vakuumisolationpaneelen
95, 97 und 99 unten einen Flansch oder eine Lasche als planparalelle Verlängerung einer Oberfolie
und die Vakuumisolationpaneelen 96, 98 und 99 oben eine Symmetrie mit einem mittig angeordneten Flansch oder Lasche enthalten,
worin die Vakuumisolationpaneelen 97 bis 99 zusätzlich eine in-vacuo hergestellte Trennaht T enthalten, die in einem Abstand
D zur Laserschweißnaht L die entsprechenden Flansche oder Laschen abtrennte. N.B.
In den Vakuumisolationpaneelen 95, 97 und 99 unten bilden die jeweiligen Unterfolien eine Schale, die die jeweiligen durch eine
Schraffur repräsentierten Füllwerkstoffe aufnehmen, während diese Aufnahme der entsprechenden
Füllwerkstoffe in den Vakuumisolationpaneelen 96, 98 und 99 oben von der jeweiligen Ober- und Unterfolie gleichermaßen vorgenommen wird.
Bild 3 Charakteristische in-vacuo Relativbewegungen als Geschwindigkeits-bestimmender
Schritt in einer in-vacuo Fertigungskette mit dem in-vacuo Fügen einer Anzahl N von
Vorprodukten, worin N gleich oder größer 1: a) fixierte vakuumtaugliche Fügeapparatur
10, bewegliches erstes Vorprodukt 11a und bewegliches zweites Vorprodukt 11b, bewegliche in-vacuo Verbindungsstelle 12 und Richtungsvektor der in-vacuo Relativbewegung, hier der Vorprodukte 11a und 11b; b) bewegliche vakuumtaugliche Fügeapparatur 14, fixiertes erstes Vorprodukt 15a und fixiertes zweites Vorprodukt 15b, fixierte in-vacuo Verbindungsstelle 16 und Richtungsvektor 17 der in-vacuo Relativbewegung der Fügeapparatur 14; c) bewegliche vakuumtaugliche Fügeapparatur 18, bewegliches erstes Vorprodukt 19a und fixiertes zweites Vorprodukt 19b, bewegliche Projektion 20 und Richtungsvektor 21 der in-vacuo Relativbewegung der Fügeapparatur 17, worin der Betrag des Richtungsvektors 21 limitiert wird von der Höhe der Projektion 19; der umgekehrte Fall einer fixierten Fügeapparatur in Fall c) ändert den Betrag des
Richtungsvektors 21 nicht. Dies ist ein prinzipieller Unterschied zum Betrag der Richtungsvektoren 13 und 17, die aus Platzgründen, darunter wegen der Laschen einer VIP, verschieden sind.
Bild 3 - 2 Vakuumtaugliche Fügeapparatur zur Ausführung eines in-vacuo Laser-Fuge-Verfahrens
mit außerhalb einer Vakuumkammer angebrachten 50 Laser (eg. Hochleistungsdiodenlaser oder ND:YAG-Laser), 51 Laser-Fokussierung, 52 Laser-Linearantrieb, 53 Laser-Linear-Führungseinheit, 54 licht-transparentem und vakuumtauglichem Einkoppelfenster aus einem brechungsarmen
Glasmaterial ggfs. mit einer Beschichtung aus einem reflektionsfreien oder reflektionsarmen
Beschichtungsmaterial in einem 66 Vakuumkammerwandeinlaß für das licht-transparente und vakuumtaugliche Einkoppelfenster,
durch das ein Laserstrahl aus einem 67 Ausgang des Laserstrahls aus der Laser-Fokussierung in eine 69 Ebene für ein in-vacuo Verschweißen in einem in-vacuo Fügebereich eingelassen wird,
55 Vakuumkammerwand eines abhebbaren Vakuumkammerdeckels, 56 oberes Presswerkzeug, 57 Kühlmittelkanal, 58 unteres Presswerkzeug, 59 Auflagetisch für eine Vakuumisolationspaneele (VIP), 60 Vakuumkammerboden, 61 Dichtflansch, 62 Antrieb für das untere Presswerkzeug und 63 Kanal zur Gewährleistung einer kontaktfreien Bildung einer Schweißnaht und Auffangvorrichtung
zum Auffangen von Schmelztropfen in einem anschließendem Trennvorgang durch Schneiden
zweier verschweißter Folien mit einem Laseraufschmelzen der zwei verschweißten Folien
und in-vacuo Abtropfen von einem aufgeschmolzenen Folienmaterial. Bereich 64 deutet eine durch eine vertikale Vakuumkammerwand ge-stützte und aus einer vertikalen
Verbindung bestehende Anbringung von 52 Laser-Linearantreib und 53 Laser-Linear-Führungseinheit mit einer vertikalen Vakuumkammerwand direkt unter dem
Bereich 64 an, worin mindestens die vertikale Verbindung im Bereich 64 und die vertikale Vakuumkammerwand eine Inkompressibilität enthält. Der Laserstrahl
enthält einen 68 Laserstrahlweg mit einem Abstand zwischen dem Ausgang 67 und der Ebene 69, worin der Abstand einen konstanten Wert (eg. im Bereich von 50 bis 400 mm) enthält,
worin der Wert einen internen Abstand zwischen dem Vakuumkammerwandeinlaß und der
Ebene enthält, worin der interne Abstand einen internen und ggfs. variablen und ggfs.
von einem Druckdifferential zwischen einem Umgebungsatmosphärendruck und einem Hintergrundsdruckwert
in der Vakuumkammeratmosphäre abhängigen Abstandswert (eg. in einem Bereich von 100
bis 300 mm) enthält, worin der ggfs. variable Abstandswert eine Abstandsabweichung
von einem konstanten Abstandswert ohne Effekt auf den konstanten Wert des Laserstrahlweges
enthält.
Bild 3 - 3 Vakuumtaugliche Fügeapparatur zur Ausführung eines in-vacuo Laser-Füge-Verfahrens,
hier mit Querschnitt durch die Vakuumkammer entlang des in Bild 3-2 gezeigten und in der rechten Bildhälfte reproduzierten vertikalen Längsschnittes
derselben Vakuumkammer sowie mit dem in Bild 3-2 nicht dargestellten Antrieb 65 für das obere Presswerkzeug 56 und einen 100 Zwischenabsaugkanal für ein Zwischen-Evakuieren eines Differentialvakuumkammervolumes,
wie es auch für eine Leck-freie Kraftübertragung von einem elektromechanischen oder
pneumatischen oder hydraulischen Antrieb außerhalb der Vakuumkammer auf das mindestens
eine Exemplar in der Vakuumkammer über ein Gestänge durch ein abgedichtetes Differentialvakuumkammervolumen
einer Vakuumkammerwand hindurch angewandt wird worin das Zwischen-Evakuieren ein Druckverhältnis
mit einer Umgebungsatmosphärendruck von ≥ 010-3:1 und ein Druckverhältnis mit dem Hintergrunds-Druckwert von 1: pH mit pH < 1 enthält ( s. Anspruuch 2).
Bild 4 Zur Vakuumkammer mit Kammerwand 30 und lichttransparentem Einlaß 31 externe Laser-Apparatur 32 mit Laserstrahl 33 und VIP 34, Gegenlager 35, Kühlfallen-wirkende VIP-Presse 36, Kühlfallen-wirkende Laschenpresse 37, Lasche 38 und Kühlsammler für abtropfendes Laschenmaterial 39.
Bild 5 Verklebte Lasche 9 einer VIP mit Kern 7 und Kleber 8.
Bild 6 Konstruktion einer VIP 27 mit umfassend geschlossenen Keramikrahmen 25 und vakuumdichter Verklebung 24.
Bild 7 Intra-Dämmkern-Verbinder beziehungsweise -Abstandshalter 26 in einem von Oberfolie 27a und Unterfolie 27b umschlossenen VIP-Innenraum 28 mit kunststoffreien Klebern 29a, Oxidgemischloten 29b und Kernmaterialien aus pyrogener Kieselsaure (Pulver oder Plattenform) 28b, Aerogelen 28c und/oder Hochvakuum 28d oder einem Gradientenwerkstoff 28e (s. Anspruch 18) bestehende VIP-Innenräume 28 sowie metallischen Lötfolien 29c.
Bild 8 In-vacuo Abarbeiten eines Stapels 40 identischer Vorprodukte einer offenen VIP mit Dämmkern in einem Zufuhrbereich 41 einer Vakuumkammer 46 durch in-vacuo Fügen via alternierender in-vacuo Relativbewegungen 42a und 42b einer in-vacuo Fügeapparatur 14 in einem in-vacuo Fügebereich 43 und anschließender Wieder-Aufbau eines Stapels 44 identischer in-vacuo gefügte Isolationspaneele mit einem identischen Vakuum in einem
Lagerbereich 45 der Vakuumkammer 46. Die fett eingetragenen Pfeile geben der Arbeitrichtung in der Fertigungskette mit
den Rollenlagern 49 wieder, während die dünnen Doppelpfeile die Reziprokbewegung der auf dem vorletzten
Niveau arbeitenden Greifer 47 des Stapels 40 und der auf dem untersten Niveau operierenden Greifer 48 des Stapels 44 andeuten.
Ausführung 1 : Vakuum-Qualitätskontrolle für in-vacuo Fügen
[0046] Es wird auf die Verfahrensansprüche 1 bis 14, auf die Vorrichtungsansprüche 15 und
16 sowie auf die unabhängigen Produktansprüche 17, 19, 22 und 23 hingewiesen.
ad a): Es wird eine Vakuumkammer, in der die notwendigen Vorrichtungen für ein in-vacuo
Fügen oder Verbinden und mindestens ein zu verbindendes oder zu fügendes Objekt innerhalb
eines Fügebereichs aufgenommen sind, auf ein Vakuum (mit eg. einem Wert im Grob-,
Fein- oder Hochvakuum) abgepumpt. Dabei stellt eine Vakuumkontrolle den Sollwert des
sich einzustellenden Vakuumdruckwertes anhand eines Mikroprozessor-ge-steuerten Abgleichs
mit dem Ist-Wert des Vakuumdruckes sicher, damit auch bei einer großen und ggfs. variierenden
Anzahl von Vorprodukten oder Exemplaren sowie entsprechender Ausgasung- und Desorptionsprobleme
des mindestens einen Vorproduktes die Verabeitung via Verbinden und/oder Fügen in
einem definierten Vakuum stattfindet, worin das definierte Vakuum in einem Hintergrund
durch
remote vacuum sensors geregelt wird.
[0047] Erfindungsgemäß werden die Quellen einer unkontrollierten Zusammensetzung eines Vakuums
in einem Fügebereich einer Vakuumkammer derart einer Kontrolle unterworfen, daß ein
Gleichgewicht zwischen dem Zustand der Vakuumatmosphäre in diesem Fügebereich und
einem definierten Vakuum in dem Hintergrund(sbereich) der Vakuumkammer hergestellt
wird. Nach Erreichen eines dynamischen Gleichgewichtes zwischen dem Fügebereich und
dem Hintergrund(druck) der entsprechenden Vakuumkammer ist der Druck und die Zusammensetzung
der Atmosphäre des Fügebereiches, der das entsprechende Vorprodukt (Struktur, Behältnis,
Behälter Rezipient, Tasche) enthält, gleich oder annähernd gleich mit dem druck und
der Zusammensetzung der Hintergrundatmosphäre der entsprechenden Vakuumkammer.
Entsprechende Ouellen vor der Füge-Aktion sind:
[0048]
a- große Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisse des Vorproduktes (cf. VIP-Kernmaterial)
b- kunststoffhaltige Strukturmaterialien
c- Wasser auf kunststoffhaltigen Strukturmaterialien (eg. VIP-Ummantelungsoberfläche)
Entsprechende Quellen während der Füge-Aktion sind:
[0049]
d- Ausgasung kunststoffhaltiger Verbindungsmaterialien bei Raum-/Umgebungstemperatur
e- Verdampfungsproblem durch überhitzte bzw. excessiv ausgasender in-vacuo Verbindungen
f- Plasma bei 10-3 bis 10-1 mbar und angewandten Spannungen > 50 V
Entsprechende Quellen vor und während der Füge-Aktion sind:
[0050]
g- hohe Stückzahl unter Maßgabe von a - f
h- kunststoffhaltige Fügeapparatur-Materialien, insbesondere für Geräte mit einer
Kühlflüssigkeit
i- Hydraulik inklusive Schlauchmaterialien und vakuumtaugliche Kraftübertragung externer
Antriebe
j- Reibung durch Transport
Ausgasungs-Quellen a bis c: in-vacuo Vorprodukt-Vorbehandlung
[0051] Erfindungsgemäß werden Vorprodukte vorgewärmt, damit diese an auf Oberflächen adsorbierte
Feuchtigkeit in einer kontrollierten und beschleunigten Rate desorbieren und an das
Vakuum der Kammer abgegeben und dann ausgepumt, ggfs. durch eine Rezirkulierungsmaßmahme
trocken der Vakuumkammer zurückgeführt. Besonders bedeutsam ist diese Ausheizung an
Vorprodukten mit großem Oberflächen-zu-Volumenverhältnis wie der (mikro)poröse Füllstoff
für eine Vakuumisolationspaneele. Im Fall einer VIP ist der Grad der Ausheizung adsorbierter
Feuchtigkeit entscheidend über ihr Isolationsvermögen in der ent-sprechenden Anwendung.
Die Auf- und Ausheizung ist bei kunststoffhaltigen Strukturmaterialien besonders effektiv,
weil kunststoffhaltige Strukturmaterialien besonders hygroskopisch sind, wenn dieser
Kunststoff wie eg. bei eine VIP-Ummantelungsoberfläche die äußere Schicht einer Verbundfolie
bildet.
[0052] Zur Aufheizung werden die auszuheizenden Vorprodukte in einen Trockner gebracht oder
auf eine Heizplatte positioniert und die ausgeasenden Stoffe direkt abgesaugt. Da
während einer Vorbereitung(sphase) eines in-vacuo Fügens keine atmosphärische Druckkraft
von außen auf der Ummantelungs-Folie der VIP lastet, ergibt sich bei geeigneter Dimensionierung
der Folie ein Spalt zwischen Dämmfüllkern und Folie, der das Abpumpen der Gase aus
dem Dämmfüllkern erleichtert, wodurch sich eine Beschleunigung der notwendigen Abpumpgeschwindigkeit
und eine signifikante Reduzierung der notwendigen Abpumpzeit zum Erlangen eines gegebenen
Vakuums in eben diesem Dämmfüllkern gegenüber dem Abpumpen von einer unter Normalatmosphäre
abgepumpten und gefertigten Stahlgehäuse-VIP mit eventuell sehr aufwendigem Rundverbund
(cf. DE 42 14 002) ergibt, und zwar von heute bis zu mehreren Stunden auf erfindungsgemäße
Abpumpzeiten < 1 Minute. Unter "geeigneter Dimensionierung" wird hier eine minimale
Formstabilität der Ummantelungsfolie bei entsprechender Überlänge der Ummantelungsfolie
bezogen auf die Abmessungen des Dämmfüllkerns verstanden, worin diese Überlänge durch
Falten und/oder Falten unter Laschenbildung nach erfolgtem Abpumpvorgang für eine
glatte VIP-Ummantelungsoberfläche berücksichtigt wird. Die eingesparte Abpumpzeit
t
A ist dabei umgekehrt proportional zu den Abmessungen des sich so ergebenen Spaltes,
hier insbesondere der Querschnittsfläche dieses Spaltes, A
S.
[0053] Dieser Spaltvorteil wirkt beim Abpumpen mit und ohne dynamischen Druckausgleich zwischen
Kern und Vakuumkammeratmosphäre und ist umso effektiver, umso länger der längste Evakuierungsweg
eines entsprechenden "VIP-Systems" ist. Gegenüber einer Evakuierung über einen Flanschanschluß,
bei der das VIP-Stahlgehäuse den Dämmfüllkern fest umschließt und in der Regel keinen
entsprechenden Spalt zuläßt, wirkt der in-vacuo Spaltvorteil insbesondere im Fein-
und speziell im Hochvakuum, da die Stoßrate von Gaspartikeln mit den Wandungen zu
evakuierender Körper mit der mittleren freien Weglänge der Gaspartikel, somit mit
steigendem Unterdruck (Vakuum) steigt. Ursache ist der so erzwungene Weg des abzupumpenden
Gases durch das Füllstoffmaterial der VIP. Gegenüber unendlich langen Zeiten bei der
Evakuierung einer Stahlgehäuse-VIP unter Normalatmospäre über einen Flansch (cf. DE
42 14 002) ergeben sich somit hohe Evakuierungsgeschwindigkeiten und hohe Meßgenauigkeiten
hinsichtlich der Abschätzung des VIP-Innendruckes anhand der Druckes in entsprechenden
Vakuumkammern. Der freie Gasaustritt ermöglicht erst die Wirtschaftlichkeit von VIP
mit Hochvakuum-Innenraum bei kunststoffreier Ummantelung (rein metallisch oder Metall-Keramik-Verbünde,
s. Ausführungen weiter unten).
[0054] Um das definierte Vakuum einer Vakuumkammer, die direkt an ein Vakuumpumpensystem
angeschlossen ist und in der ein entsprechender Betriebsdruck gemessen wird, auch
im Innenraum einer mit einem Dämmstoff gefüllten VIP zu erreichen, bedarf es der Einstellung
eines dynamischen Druckgleichgewichtes mit dem Druck im Innenraum der teilweise geschlossenen
und mindestens an einer Seite über eine Lasche offenstehenden VIP. Für eine gegebene
Temperatur ist die Haltezeit t
H zur Einsstellung dieses Gleichgewichtes direkt proportional zur Größe der VIP und
umgekehrt proportional zur Porengröße des Füllstoffmaterials, i.e. je feiner die Poren,
desto länger die Haltezeit bei einer gegebenen VIP-Abmessung. Beispiel: bei einer
VIP mit einer Querschnittsfläche von einem Quadratmeter und einer transversalen Wandstärke
von 2 cm unter Verwendung pyrogener Kieselsäureplatten mit einer Porengröße von 0,5
mm beträgt zur sicheren Erlangung eines Innendruckes P
VIP = 4 mbar nach Erreichen dieses Wertes in der Vakuumkammer t
H = 1 min, bei entsprechender Wandstärke von 4 cm ist t
H = 2 min etc..
Es versteht sich, daß die hier aufgezeigten Vorteile der Vorprodukt -Vorbereitung
ein kostengünstiges in-vacuo Fügen einer entsprechend hohen Stückzahl erst ermöglichen.
Dies liegt nicht zuletzt an der Tatsache daß die hier dargestellte in-vacuo Vorprodukt-Vorbereitung
eine "getter"-Material-freie Fertigung hohe Stückzahlen ermöglicht.
Ausgasungs-Quellen d bis f: kunststoffreie Verbindungsmaterialien, Kühlfallen, Plasmaschutz,
Unterdruck-Gleichgewicht
[0055] Kunststoffhaltige Struktur- und/oder Verbindungsmaterialien stellen im Vakuum bereits
bei Raum-/Umgebungstemperatur ein signifikantes Ausgasungsproblem dar. Beim Verschweißen
einer Verbundfolie im Temperaturbereich um 100° C (cf. Ausführung 2) entsteht deshalb
im Vakuum leicht ein "Qualm" beim "Verschmelzen". Ein "Gleichgewicht" in Druck und
Zusammensetzung eines Vakuum (beziehungsweise im Wert eines Unterdruckes) zwischen
dem in-vacuo Fügebereich und dem hintergrund einer Vakuumkammer für in-vacuo Fügen
ist deshalb am einfachsten durch Verwendung kunststoffreier Strukturmaterialien zu
erzielen. Hierzu zählen:
komplett Metall
komplett Keramik
Metall-Keramik-Verbund
(s. Ansprüche 10 ff.), um das in-vacuo Fügen frei von "getter"-Materialien auszuführen.
Mit Verbundfolie ist der Einsatz von"getter"-Material notwendig, wenn keine anderen
Vorkehrungen getroffen werden.
[0056] Auch beim in-vacuo Fügen von Vorprodukten aus kunststoffreien Strukturmaterialien
bilden überhitzte oder excessiv ausgasende in-vacuo Verbindungen potentielle operative
Ausgasungs-Quellen oder Verdampfungsprobleme während der Füge-Aktion. Dann wird das
in-vacuo Fügen mit Kühlfallen gelöst. Bei einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit
zwischen der vakuumtauglichen Fügeapparatur und dem mindestens einen Exemplar parallel
werden vorzugsweise lokal mitgeführte Kühlfallen beim in-vacuo Fügen eingesetzt, bei
einer konstanten Verformung oder Stauchung des mindestens einen Exemplars werden die
Kühlfallen vorzugsweise in Form von Balken entlang der gesamten Schweißnaht eingesetzt.
Zur Vermeidung von Gasentladungen werden bei Betriebsdrücken mit einem Wert im Bereich
von 10
-3 bis 10
-1 mbar nur Spannungen < 49 V angewandt beziehungsweise auf unter 49 V angewandte Spannungen
zurückgefahren (s. "Paschenkurve" in A. Rutscher und H. Deutsch, Plasmatechnik - Grundlagen
und Anwendungen). Mit lokalen Sensoren und Mikroprozessoren werden im Fügebereich
die in-vacuo ange wandten Spannungen unterhalb dieses Wertes gehalten, wenn die Kühlfallen
lokale Betriebsdrücke im Bereich von 10
-3 bis 10
-1 mbar nicht verhindern.
[0057] Es versteht sich, daß die hier aufgezeigten Vorteile des in-vacuo Einsatzes von Kühlfallen
beim Fügen mit in-vacuo Schweißverfahren, hier insbesondere für das in-vacuo Aufschmelz-Schweißen,
sowie Plasma-schutz und eventueller Einsatz kunststoffreier Verbindungsmaterialien
das System aus Hintergrund und Fügebereich der Vakuumkammer sensibel machen für eine
Qualitätskontrolle des Vakuums vor und während der Fertigung. So werden grundsätzlich
ausgasungsarme Materialien für Fügeapparatur und Fügegeräte ausgesucht und letztere
so gefertigt, daß sie eine relativ geringe Oberfläche beziehungsweise ein geringes
Oberflächen-zu-Volumen Verhältnis aufweisen. Energietransferierende Geräte wie Rollen-
und andere Elektroden oder Reibschweißflächen werden durch ein flüssiges Kühlmedium
gekühlt, welches ggfs. einem an ein Kühlaggregat angeschlossenes Kühlkreislauf angeschlossen
ist. Die Hydraulikschläuche und beweglichen Teile sowie Kühlschläuche werden aus metallischen
Oberflächen (eg. aus Stahl, OHC-Kupfer, Aluminium) gefertigt, die dem Vakuum der Vakuumkammer
ausgesetzt sind. Reibung durch Transport wird durch Schwebetransport mit kontrollierten
(Kühl)Systemen ausgeführt, sodaß unter Maßgabe der hier aufgezeigten Vakuumkontrolle
konstante Vakuumzustände in der entsprechenden Vakuumkammer auch bei einer hohen Stückzahl
via in-vacuo Fügen gewährleistet sind.
Ausführungsbeispiele für das Verfahren nach Anspruch 1 mit einem Einfrieren eines
einzigartig kontrolierten Unterdruck-Gleichgewichtes in einem Hochleistungsprodukt
sind gegeben in Anspruch 3.A für das Evakuieren einer tiefgezogenen VIP-Schale und
in Anspruch 3.B für das Strecken einer VIP-Öffnung zwecks anschließender Verformung
eg. gemäß Anspruch 2.
[0058] Vakuumtaugliche Kraftübertragung externer Antriebe eg. für Preßwerkzeuge wird grundsätzlich
über ein Gestänge mit einer mehrfach gedichteten Flanschdichtung ausgeführt, wobei
jeweils zwischen den Dichtungen (eg. Kolbenstangendichtungen) eine Differentialvakuumkammer
vorhanden ist. Diese wird durch eine separate Vakuumpumpe auf einen Druck mit einem
Wert im Bereich von 10
-0 bis 10
2 mbar abgepumpt. Hierdurch wird die Druckdifferenz zwischen Umgebung der Vakuumkammer
und dem Hintegrund der eigentlichen Vakuumkammeratmosphäre, in der das neue Verfahren
ausgeführt wird, um einen Faktor von bis 1000x verringert, wodurch die bei einem Leck
der inneren (Kolbenstangen)Dichtung möglicherweise eindringende Gasmenge um den gleichen
Faktor reduziert wird und so neben einem laufenden Vakuumpumpenstand für die Vakuumkammer
eine weitere unabhängige Kontrolle auf das Unterdruck-Gleichgewicht gemäß Anspruch
1 ausgeübt (s.a. Anspruch 2.).
Auf diese Weise werden die Ausführungsbeispiele des Verfahrens nach Anspruch 1 mit
einem konstanten Vektor für plastische Verformung oder Stauchung gemäß Anspruch 2.A
für eine Leck-freie Kraftübertragung und gemäß Anspruch 2.B für ein zusätzliches Falten-freies
Aneinanderpressen von mindestens zwei Folien ausgeführt.
Ausführung 2: Selektive "Verschmelzung" via in-vacuo hergestellter Projektion
[0059] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine reproduzierbare Schweißnaht entlang
ihrer Ausdehnung auf einer Verbundfolie einer VIP-Ummantelung durch ein in-vacuo-Schweißen
zu erzielen.
[0060] Die Lösung der Aufgabe wird durch eine Variation des Projektionsschweißens (s. Tabelle
1 auf der übernächsten Seite) erzielt, worin in-vacuo eine Projektion in die Lasche
einer VIP-Ummantelung mit Widerstandsschweißnähten eingedrückt und durch selektives
Aufschmelzen bei T >T
S(L), worin T
S(L) = Schmelztemperatur der niedrigst-schmelzenden Folienkomponente (zum Beispiel Polyethylen,
Nylon oder Teflon) in der äußeren Schicht, und eine Festkörperaufheizung bei T <T
S(H), T
S(H) = Schmelztemperatur der höchstschmelzenden Komponente (zum Beispiel Aluminium) durch
Vertiefung, i.e. weiterer Stauchung versiegelt wird, worin die Projektion aus der
aus einer linearen Naht, einem Maschennetz und einem aus rechtweckigen, dreieckigen,
vieleckigen oder regelosen Maschen bestehenden Netz bestehenden Gruppe ausgesucht
wird. Die Herstellung von VIP aus kunststoffhaltigen VIP-Ummantelungsfolien mit einer
äußeren Schicht aus einem thermisch versiegelbaren Stoff wie zum Beispiel Polyethylen,
Nylon oder Teflon mit relativ niedrigen) Schmelzpunkt und einer im Innern des transversalen
Querschnittes enthaltenen Gas-Barriereschicht aus Aluminium wird so ausgeführt, daß
für ein Versiegeln mit einer relativen Sicherheit (mindestens beziehungsweise in der
Regel) zwei (2) Folien auf einem linearen Gegenlager übereinandergelegt werden, daraufhin
die Vakuumkammer, in der sich das Gegenlager befindet, auf ein Vakuum mit einem Wert
im Bereich vom 0,95 mbar bis herunter auf 10
-12 mbar evakuiert wird, welches sich dann auch im Kern der entsprechenden VIP nach einer
der Haltezeiten gemäß Ausführung 1 einstellt, daraufhin durch Zusammenpressen (eg.
via Preßluft) des (in Preßrichtung ggfs. beweglichen) Gegenlagers (das selber eine
Schweißschiene sein kann) mit einer (ggfs. beweglichen) Schweißschiene unter den so
gewählten Bedingungen eines Vakuums bei einer Temperatur eg. T
S = 140°C während einer Dauer von eg. t
S = 4 Sekunden und unter einem Druck P
S = 1 kg/(cm Schweißschiene) (die größer sein kann als die zu verschweißende Fläche)
die entsprechende Verbundfolie unter eben diesen Bedingungen des Vakuums zusammengedrückt
wird und dabei in einem Arbeitsgang eine entsprechende und den transversalen Querschnitt
der Folie durchdringende Projektion eingedrückt wird, ein Fließvorgang an der Schnittstelle
der beiden Folien in der jeweiligen äußeren Schicht einsetzt, die äußere Schicht an
der Druckstelle aufgeschmolzen wird, und die Schnittstelle dort lokal unter Vertiefung
(i.e. weitergehende Stauchung) und Verschmelzung der Projektion in der äußeren Schicht
aufgehoben wird, i.e. die entsprechende VIP wird unter lokaler Verschmelzung zweier
diskreter Außenschichten verschweißt.
Hierbei ist die mindestens eine Preßfläche der entsprechenden Schweißschiene(n) mit
niederohmigen Widerstandsdrähten belegt. Durch das Anpressen der Verbundfolie an die
Widerstandsdrähte bilden die Widerstandsnähte in-situ im Vakuum eine Projektion mit
konstanten Ausmaßen entlang der zu verschweißenden Naht, weil die linear ausgelegten
Widerstandsdrähte einen konstanten Durchmesser von konstanter Härte auf plangefräßten
und glattpolierten Gegenlagern enthalten. Während des in-vacuo-Projektions-Schweißvorganges
verschmelzen die beiden zu verschweißenden Folien an ihren durch Widerstandsdrähte
zusammengepreßten Kontaktstellen ihre Oberflächen miteinander. Es findet eine konstante
thermisch aktivierte Stauchung der Verbundfolien entlang der Widerstandsdrähte unter
Vertiefung der anfänglich nur durch Druck entstandenen Projektion statt (s. Verfahrensmerkmal
f1) in Anspruch 1), bis der in-vacuo-Projektions-Schweißvorgang abgeschlossen ist.
Es sind also nicht nur homogener Druck, Temperatur und Preßzeit, sondern vor allem
auch planebene und glatte Gegenlageroberflächen mit konstanten Abmessungen der Widerstandsdrähte
und resultierenden Projektionen über die ganze Länge des Versiegelungs-Pressbereiches
notwendig. Die Pressung der aufeinandergelegten Folien wird nach Unterschreiten ihrer
Temperatur an der Schweißnaht unter die Schmelztemperatur des kritischen Verbundmaterials
(oder -stoffes, eg. Polyethylen mit einem Schmelzpunkt von ca. 80°C) zurückgenommen.
Auf diese Weise ist es möglich, die so unter Vakuumbedingungen durch eine partielle
beziehungsweise selektive und auf die äußere Folienschicht beschränkte "Verschmelzung"
der Ummantelungsfolie versiegelte VIP aus der entsprechenden Vakuum-appratur nach
deren Re-Komprimierung zu entnehmen, ohne daß ein Versagen der entsprechenden VIP
in Kauf genommen werden muß. Die durch die Schweißnaht aufzunehmenden Kräfte bestehen
im Wesentlichen aus den Druck- und Zugspannungen, die aufgrund des Druckunterschiedes
zwischen Paneeleninnerem und Einsatzatmosphäre nicht durch den (ggfs. druckstabilen)
Füllkörper (i.e. dem "Kern"material) aufgenommen werden oder werden können beziehungsweise
die durch das Vorhandensein des Füllkörpers in Querrichtung erst entstehen.
Ausführung 3: Vakuumkammergrundflächen-Ausnutzung
[0061] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die der Ausführung 2 zugrundeliegenden
relativ hohen Todzeiten und den dadurch relativ hohen notwendigen Zeitaufwand in einer
in-vacuo Fertigungskette zu reduzieren, die dadurch zustande kommen, daß der Fügebereich
in der Vakuumkammer stets durch eine einzige VIP ausgefüllt ist und erst wieder für
eine neue VIP genutzt werden kann, wenn die VIP komplett ersetzt wurde.
[0062] Die Lösung der Aufgabe wird durch eine Kürzung der notwendigen linearen Dimension
einer statischen Pressmaschine in Transportrichtung einer VIP mit den gemäß Tabelle
1 möglichen Verfahren erzielt, die eine parallel zur Schweißnaht fortschreitende in-vacuo
Relativbewegung für Energiezufuhr und resultierende Verbindungsbildung enthalten und
für das in-vacuo Fügen eingesetzt werden, und zwar durch Aufschmelzen via Rollnaht-Widerstandsschweißen,
"Hochfrequenz"-Widerstandsschweißen, Elektronenstrahl-Schweißverfahren und Laser-Strahl-Schweißverfahren
und durch Festkörper-Schweißen via Walzschweißen, Reibschweißen, Reibrührschweißen,
Kontinuierliches Schmiede-Schweißen und Kontinuierliches Ultraschall--Schweißen.
[0063] Für das in-vacuo Verschweißen dünner Folien besonders geeignet sind das Rollnaht-Widerstandsschweißen,
das Laser-Strahl-Schweißverfahren, das Walzschweißen und das Kontinuierliches Ultraschall--Schweißen,
weil sie den dünnen Folienquerschnitt lateral nicht unmäßig belasten und dadurch eine
präzise Positionierung der in-acuo Schweißnaht beim in-vacuo Verschweißen dünner Folienmaterialien
erlauben (s. a. Ausführungen 4 und 5 unten).
[0064] Erfindungsgemäß wird eine nach Herstellung des Vakuums das Fügen oder Verbinden in-situ
unter Ausführung einer Relativbewegung zwischen eg. einer Rollnahtschweißmaschine
und dem in-vacuo herzustellendem Produkt durchgeführt. Dabei ist die Rollnahtschweißmaschine
in x- und z-Translation in einer fixen (Schweiß)Position, während das in-vacuo zu
fügende Objekt an der Rollnahtschweißmaschine mit Hilfe einer vakuumtauglichen und
verschleißfesten Führung in-vacuo entlang gefahren und kontinuierlich nachgeliefert
wird. Alternativen umfassen die in Anspruch 5 zusammengefaßten Relativbewegungen.
Die Positionierung einer Fügeapparatur und/oder eines Vorproduktes in eine aufeinander
bezogene und über eine auf einen lokalisierten Punkt hinausgehende Fügeposition wird
so ohne oder unter minimierten Todzeiten für das in-vacuo Verbinden erzielt. Es werden
rotative Relativbewegungen und lineare Relativbewegungen, die besonders vorteilhaft
für großflächige Strukturen und lange Fügestellen sind, ausgeführt. Der Umweg für
das Verbinden und Fügen über das Vakuum ermöglicht auf diese Weise eine Nachhaltigkeit
der Anwendung, darunter lineare Qualitätsverbindungen, die sowohl einseitig wie auch
beidseitig einer späteren Normalatmosphäre ausgesetzt werden. Diese Relativbewegung
besitzt eine zentrale Rolle bei der Effizienzsteigerung der Nutzung einer Vakuumkammer
durch ein kontinuierlich betriebenes Verfahren hinsichtlich vorhandenem Betriebsplatzfläche
A
B oder zulässiger Betriebszeit t
B (s. Ausführung 4 unten). Entscheidend dabei ist, daß nur die Konstanz der plastischen
Verformung oder Stauchung oder Geschwindigkeit der in-vacu Relativbewegung das Unterdruckgleichgewicht
zwischen in-vacuo Fügebereich und dem definierten Vakuum gemäß Anspruch 1 gewährleistet.
[0065] Der erstere der beiden Fälle (späteres einseitiges Aussetzen einer in-vacuo hergestellten
Verbindung oder Fügung einer späteren Normalatmosphäre) wird am Beispiel einer Vakuumisolationspaneele
(häufig auch "Vakuumisolationspaneel, VIP) demonstriert. Mit diesem Beispiel wird
das Gebiet der industriellen in-vacuo Versiegelung, des Abschlusses und somit der
Einkapselung der Vakuumbedingungen für Anwendungen des gleichen (nach Erreichen eines
dynamischen Gleichgewichtes zwischen derselben und dem Hintergrund(sdruck) der entsprechenden
Vakuumverarbeitungsapparatur) oder annähernd gleichen Druckes zwischen der Atmosphäre
in der entsprechenden Struktur, Behältnis, Behälter Rezipient, Tasche mit eingekapseltem
Vakuum für bestimmte Zwecke (wie am Beispiel einer VIP gezeigt wird) und der Hintergrundatmosphäre
der entsprechenden Vakuumfügekammer betreten.
[0066] Als Füge- und Verbindungsautomat wird eine hochvakuumtauglich gemachte Rollnahtschweißmaschine
(eg. N 600 pn) für Längs- und Quernahtversiegelung (-"schweißung") eingesetzt. Rollnahtschweißmaschinen
funktionieren nach dem Prinzip des Widerstandsschweißens, worin über einen pneumatisch
betätigten Schwingerarm eine über einen Mikroprozessor gesteuerte Rollenelektrode
und eine Gegenrollenelektrode mit einer kontrollierten Umdrehungsgeschwindigkeit für
eine stufenlos geregelte Schweißgeschwindigkeit angetrieben wird. Die Energiezufuhr
zur Rollenelektrode wird über eine Schweißstromüberwachung geregelt, die resultierende
Temperatur in der Versiegelungs- oder Schweißnaht über einen Schweißtransformer überwacht.
Die Hydraulik dieser Maschine führt über vakuumtaugliche metallische Schläuche, wobei
vorzugsweise aus Edelstahl gefertigte Strechschläuche eingesetzt werden. Effektiv
eingesetzte in-vacuo Spannungen E
R zwischen den Rollen betragen bei Vakuumatmosphärendrücken im Druckbereich 10
-3 bis 10
-1 mbar nicht mehr als 50 V, um ein allgemeines Plasma in der entsprechenden Vakuumkammer
zu vermeiden (vgl. Ausführung 1).
[0067] Daraufhin werden zwei gegenüberliegende Folien an der offenen Lasche der VIP bei
Schweiß-Geschwindigkeiten zwischen 1,0 bis 6,3 m/min durch die Rolle der Rollnahtschweißmaschine
hindurchgefahren. Die für die Verschmelzung eingesetzte nominale Leistungsaufnahme
liegt im Bereich von 0,1 W bis 70 kW. Die Versiegelung der VIP wird dabei durch Verschmelzung
einer der Schichten in einem thermisch entsprechend versiegelbaren Temperaturbereich
zwischen 80° und 140° C erzielt. Deshalb ist der Effekt der Wärmeentwicklung auf den
Dämmkernwerkstoff unkritisch (vgl. a. Ausführung 5 unten). Infolge der automatisierten
in-vacuo Fertigung entsprechender Versiegelungen werden automatisch ganzheitlich in
einem Vakuum hergestellte VIP ohne lösbare Verbindungen an der Ummantelung möglich,
die einen verbesserten Schutz gegen Wärmeleitung gegenüber einer in einer Normalatmosphäre
automatisiert gefertigten Stahlplattengehäuse-VIP gemäß Stand der Technik (DE 42 14
002) anbieten, und zwar aufgrund reduzierter Ummantelungs-Querschnitte (Kostenreduzierung
1) bei gleichzeit erhöhter Produktivität gegenüber handwerklichen in-vacuo Fertigungsverfahren
von Verbundfolien-VIP (Kostenreduzierung 2) und Freiheit von einem in-vacuo Einsatz
von "getter"-Materialien (Kostenreduzierung 3). Neue in-situ Vakuumprodukte umfassen
aus Verbundfolien hergestellte VIP mit einer eine mittlere Schicht aus (Edel)Stahl
enthaltenen Ummantelung, die jedoch mit einem bei relativ niedrigen Temperaturen thermisch
versiegelbarem Material wie PE versehen sind und bei denen die Edelstahlfolie über
den gesamten Querschnitt der VIP als Gasbarriere-Schicht eingesetzt wird.
Ausführung 4: Kunststoffreies in-vacuo Fügen eines monolithischen Metalls oder Legierung
[0068] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gemäß Ausführung 1 durch in-vacuo Fügen
auf den Einsatz der begrenzt Vakuumverträglichen Kunststoffe als Strukturmaterialien
zu verzichten und die begrenzten technischen Eigenschaften der konventionellen und
kommerziellen VIP-Verbundfolie, hier insbesondere diejenigen, die durch den relativ
niedrigen Schmelzpunkt eines auf der Oberfläche aufgetragenen thermisch versiegelbaren
Stoffes wie zum Beispiel Polyethylen, Nylon oder Teflon, vorbestimmt und begrenzt
sind, zu überwinden. Unter Kunststoff wird hier Kunststoff auf Kohlenwasserstoffbasis
oder -haltige Werkstoffe (Polymere) verstanden.
[0069] Die Lösung der Aufgabe wird mit einem in-vacuo Füge-Verfahren zum Einbringen von
variablen einschließlich relativ hoher lokaler Energien und hoher resultierender Schweiß-Temperaturen
erzielt, mit dem das in-vacuo Fügen kunststoffreier Strukturmaterialien und vakuumdichter
Vorprodukte auf der Basis eines Metalls oder einer Legierung möglich ist. Hinsichtlich
Ausführung 4 wird auf die vom Verfahren nach Anspruch 1 ff. abhängigen und ansonsten
unabhängigen VIP-Ansprüche 10 und 12 sowie auf Tabelle 1 hingewiesen.
[0070] Erfindungsgemäß wird ein kunststoffreies Material in-vacuo gefügt, worin die zu fügende
Stelle des mindestens einen zu verarbeitenden Vorproduktes aus einem einschichtigen
metallischen Material besteht, worin eine rein aus einem metallischen Material bestehende
kunststoffreie monolithische Ummantelungsfolie einer VIP gefügt wird, worin das Material
Stahl in Folienform ist, i.e. es wird eine aus Stahlfolie bestehendes monolithisches
VIP-Ummantelungsmaterial a) durch Festkörper-Schweißen bei T < T
S und b) durch Aufschmelzen bei T > T
S nach einem Vefahren gemäß Tabelle 1 in-vacuo -"verschweißt" , worin T
S = Schmelztemperatur der monolithische Ummantelungsfolie.
[0071] Am Beispiel des Einsatzes einer vakuumtauglichen Rollnahtschweißmaschine wird eine
aus einer offenen Folie bestehende Tasche einer Vakuumisolationspaneele (VIP) entlang
einer Stirnnaht aus Edelstahl zur Herstellung einer vakuumdichten VIP mit über den
Kern hinausragender Lasche einer VIP-Edelstahlfolie durch Aufschmelzen oder anhand
des Walz- oder Ultraschallschweißens im Festkörperzustand verschweißt. Solche Folien
können auch laterale Werkstoffverbünde mit vakuumdichten Schnittstellen enthalten,
die hier "Kompositfolie" genannt werden soll, bestehend aus verschiedenen
lateral aneinanderstoßenden Folienmaterialien, also kein über den Querschnitt aufgeschichteter
Schichtverbund wie die o.g. VIP-Verbundfolien gemäß Stand der Technik. Bei dieser
Erfindung wird zunächst eine (i) mit einer Pulverplatte aus pyrogener Kieselsäure
gefüllte und (ii) an drei vor Einbringen in das Vakuum durch eine Schweißung oder
Knickung versiegelte Seiten und (iii) an der Stirnnaht aus Edelstahl offene VIP-Tasche
in eine offene Vakuumapparatur gebracht und nach Schließen und unter Vakuum-setzen
der entsprechenden Vakuumapparatur durch die Rollnahtschweißmaschine unter dem Vakuum
an der Stirnnaht aus Edelstahl verschweißt.
[0072] Damit eine Vakuumdichtheit der VIP-Ummantelungsfolie mit metallischer (eg. Edelstahl-)
Naht gemäß den Ansprüchen 10 - 12 erzielt wird, werden erfindungsgemäß Vorschubgeschwindigkeiten
mit einem konstanten Wert im Bereich von 0,005 - 1,0 m/sek eingesetzt. Der Vorteil
variabler Vorschubgeschwindigkeit aus einer kontrollierten Erwärmung vor und Abkühlung
nach dem Schweißvorgang, wodurch ein homogenes und homogen feinkörniges Schweißnahtgefüge
mit hoher intrinsischer Duktilität erzielt wird. Außerdem wird das Laschenmaterial
der VIP vor Durchgang durch die Rollenelektrode der Rollnahtschweißmaschine oder beim
Festkörper-Rollenschweißen zusätzlich leicht vorgewärmt. Damit kann ein großer positiver
Temperaturgradient und eine gerichtete Erstarrung (Stengelkristallgefüge) sowie Seigerungen
aller Art im Schweißnahtgefüge unterdrückt und flache Maxima im ΔT(t)- und ΔT(x)-Verhalten
der Schweißnaht erzielt werden, worin t = Betriebszeit und x = Abstand von der Schweißnaht.
[0073] Der in-vacuo Herstellung einer homogenen und 100%ig dichten Metall-Schweißnahtausbildung
kommen dabei die Bedingungen des Aufschmelz-Schweißens bei T < T
S und des Festkörper-Schweißens bei T > T
S unter einem Vakuum und der damit verbundenen hohen Reinheit der unmittelbaren Prozessumgebung
entgegen, weil aufgrund der Tatsache, daß alle Verarbeitungsschritte in der Vakuumkammer
unter einem definierten Vakuum durchgeführt und alle atmosphärischen Einflüsse vermieden
werden, die allfälligen Oxidations-, O
2-, Oxyd- und schlackenfreie Schweißnähte ausgeschlossen und die resultierenden Schweißnähte
auf diese Weise frei von Einschlüssen aller Art sind und so eine hohe Schadenstoleranz
aufweisen. Dies gilt im Übrigen nicht nur für die Schweißprozess-führung mit einer
Rollnahtschweißmaschine, sondern auch für alle übrigen vakuum-kompatiblen Schweißverfahren
nach Tabelle 1, darunter Laserschweißung und Widerstandsschweißung aller Art, wofür
der Einsatz eines kunststoffreien monolithischen Metalls oder Legierung Bedingung
ist (vgl. obiges Kapitel "Stand der Technik" und nachfolgende Ausführungen 5 ff.).
[0074] Dabei ist es besonders vorteilhaft, eine ggfs. notwendige Beseitigung von Oxydhäuten
und die dabei eingebrachte Reibungswärme ΔQ
friction in eine in-vacuo Prozeßkette unmittelbar vor dem in-vacuo Fügen einzugliedern. Dabei
muß die in-vacuo Kontrolle des ΔT(t)- und ΔT(x)-Verhaltens der Wärmeentwicklung im
Vorprodukt und Produkt relativ breiter in-vacuo Schweißnähte eg. via das in-vacuo
Rollennahtschweißen die gesamte in das Produkt lokal eingebrachte Energie sowie den
resultierende Wärmefluß berücksichtigen, weil für die T-Kontrolle im Vakuum Konvektion
als Wärmeabfuhrmöglichkeit ausfällt. Es ist deshalb von Vorteil, eventuelle in-vacuo
Ausheiz- (cf. Ausführung 1) und Reinigungsschritte so zeitlich dicht wie möglich hintereinander
oder überlappend in-vacuo auszuführen. Das anschließende in-vacuo Schweißen bei relativ
hohen homologen, also auf den Schmelzpunkt des Materials der VIP-Ummantelung bezogenen
Temperaturen im Vakuum berücksichtigt insbesondere die Wechselwirkung zwischen Wärmeentwicklung
an der Versiegelungsstelle und der thermischen Stabilität des Füllmaterial(s) im Kern.
Als Beispiel sei eine Schweißnaht-Solltemperatur von 1200 °C und eine kritische Füllstoffmaterial-Zersetzungstemperatur
von 1400°C gegeben. Wenn bei dem Schweißvorgang keine Phasenumwandlung (i.e. Aufschmelzung
des entsprechenden Werkstoffes) auftritt, beträgt die abzuführende Wärmemenge (in
[J/mol]) ΔH
ges = ΔQ, mit Aufschmelzung dagegen ΔH
ges = ΔQ + ΔH
Solidifi-cation, worin ΔQ = Aufheizwärme, in der ΔQ
friction enthalten ist, und ΔH
Solidification = latente Erstarrungswärme. Damit sich der Füllstoff in der Nähe zum in-vacuo Schweißvorgang
durch die entsprechende Wärmeentwicklung gerade unter den schlecht wärmeleitenden,
quasi-konvektionsfreien Abkühlbedingungen in einem Vakuum nicht thermisch zersetzt
oder nicht beschädigt wird, wird die Hitzeentwicklung durch die Schweißung und ihr
entsprechender Einfluß auf das Aerogel, die pyrogene Kieselsäure und andere Füllkörper
derart berücksichtigt, daß erfindungsgemäß eine Kühlrolle zwecks Entzug einer kontrollierten
Wärmemenge zwischen Rollenelektrode und Füllstoff angebracht mit gleicher Umdrehungsgeschwindigkeit
in Kontakt mit der VIP mitläuft (NB. eine von der Geschwindigkeit der Rollenelektrode
unterschiedliche Geschwindigkeit würde Reibung und somit zusätzliche Wärme verursachen
und den gewünschte Kühleffekt der Kühlrolle unterlaufen). Die Kühlrolle ist dabei
so ausgelegt und dimensioniert, daß sie eine Bruchteil
f der abzuführenden Wärmemenge durch Wärmeleitung wiederaufnimmt und aus der VIP an
ein Kühlmedium abgibt, welches die Kühlrolle durchspült und zu einem Kühlaggregat
zurückläuft, wo das Kühlmedium auf eine definierte Temperatur abgekühlt wird, bevor
es zurück in die Kühlrolle fließt und sich der Vorgang pro Volumeneinheit Kühlflüssigkeit
wiederholt. Typische Daten für die eingesetzte Kühleffekt der Kühlrolle betragen 0,3
<
f < 0,6. Wenn zum Beispiel eine Schweißnaht auf 1400°C aufgeschmolzen werden muß, bleibt
die Temperatur des Füllmaterials in inmittelbarer Nähe zur Rollenelektrode durch den
Einsatz der Kühlrolle unter 1000°C. Zusätzliche Lösungen umfassen den Einsartz von
kühlenden Führungsblechen zur Ableitung der Schmelzwärme und Erstarrungsenthalpie
aus der VIP-Ummantelung in unmittelbarer Nachbarschaft zur Rollenelektrode. Auf diese
Weise wird eine thermische Zersetzung oder lokale Überhitzung der entsprechenden Füllstoffe
wie Aerogele erfindungsgemäß durch Umleitung des durch die Hochtemperatur in-vacuo
Verschweißung einer VIP-Ummanntelung verursachten Wärmemenge in und Abfuhr durch ein
Kühlmedium vermieden.
[0075] Wesentlichen Vorteile des kunststoffreien in-vacuo Fügens einer metallischen Verbindung
eg. für eine VIP unter Einsatz einer eg. beweglichen Schweißnaht einer vollständig
kunststoffreien Metallfolie (eg. einschichtige metallische Ummantelung einer VIP wie
Edelstahlfolie) mit einer Vakuumschweißgerät gegenüber dem entsprechenden in-vacuo
Fügen von Verbundfolien gemäß Stand der Technik liegen in der in-vacuo Fügetechnik
selbst. Da eine kunststoffreie Metallfolie (eg. eine Edelstahlfolie) absolut vakuumdicht,
in jedem Fall aber dichter ist als Verbundfolien für Versiegelung bei leicht erhöhten
Temperaturen gemäß Stand der Technik (wie eg. Polyethylen im Temperaturbereich von
80° bis 150°C) sind, ergibt sich durch den Einsatz von völlig ohne Kunststoff beschichteten
Edelstahlfolien eine kostengünstigere Verarbeitung, weil:
1. durch die Abwesenheit von Kunststoffen in der VIP-Folie gegenüber den Verbundfolien
eine geringere Adsorption von Wasser an der Oberfläche der VIP-Folie erfolgt, somit
ein geringerer Aufwand an notwendiger Pumpleistung zur Herstellung des entsprechenden
Vakuums pro Einheitsoberfläche des herzustellenden Produktes. Es sei in diesem Zusammenhang
darauf hingewiesen, daß sich auch die vergleichsweisen tH-Werte gegenüber Ausführung 1 aufgrund der Abwesenheit von Kunststoff in der Ummantelung
um bis 60 % reduzieren (s. unten).
2. kein "getter"-Material bei der Verarbeitung in der Vakuumapparatur erforderlich
ist, wie dies beim Versiegeln von Standard-Verbundfolien der Fall ist.
[0076] Sofern eine ausreichende Steifigkeit der Metallfolie aufgrund metallischer und/oder
ausreichender (Dimensionierung der) Wandstärke gegeben ist, ist ein besonderer Vorteil
der invacuo VIP-Verschweißung beim Abpumpen einer VIP mit einer Ummantelung aus einer
metallischen (eg. Stahl-) Folie über eine offene Lasche gegeben (vgl. Ausführung 1).
Dieser Vorteil kommt beim Einsatz metallischer Ummantelungsfolien bei besonders großen
VIP-Abmessungen zum Tragen. Die in-vacuo "Evakuierung" der Gasatmosphäre in und um
der VIP-Ummantelung herum ermöglicht signifikant reduzierte Abpumpzeiten zur Erlangung
von Innenraumdrücken < 10 mbar gegenüber der Stand-der-Technik-Fertigung von Stahlgehäusen-VIP
sowie von VIP mit dünner Verbundfolien-Ummantelungen in der in-vacuo Fertigung. Dies
trägt entscheidend dazu bei, daß das Kosten-Leistungsverhältnis individueller in-vacuo
Strukturen wie Vakuumisolationspaneele (VIP) über eine Reduzierung der Stückkosten
durch den Einsatz kunststoffreier Materialien erzielt wird (vgl. Beiträge durch Vakuumkammer-Ausnutzung
und Vakuum-kompatibles Hochgeschwindigkeits-Fügen in den folgenden Ausführungen).
[0077] Ferner ist der Verschluß eines Absauganschlusses (via Verschweißen, verkleben etc.)
unter atmosphärischen Bedingungen (cf. DE 42 14 002) eine wesentliche Fehlerquelle
im Stand der Technik industrieller VIP-Fertigung. Demgegenüber ist festzuhalten, daß
der erfindungsgemäße Verschluß einer VIP mit kunststoffreier und ggfs. kompletter
Metallfolien-Ummantelung in einer Vakuumkammer unter Vakuum eine Lufteinströmung während
dieses Verschließens ausschließt. Außerdem sind die in-vacuo hergestellten Schweißnähte
frei von Leckagemöglichkeiten beim Verschließen, weil der VIP-Innendruck gleich dem
VIP-Außendruck ist, bei der Prozeßführung also keine durch ein Druckdifferential verursachte
(mechanische) Spannungen auftreten.
[0078] Dieser Umstand kann dabei sowohl makroskopisch als auch mikroskopisch den Sachverhalt
ausnutzen, daß die VIP-Umhüllung während der in-vacuo Versiegelung via Metallverschweißung
(aber auch via Einsatz eines ausgasungsfreien und kunststoffreien Klebers für Metall-Keramik
Verbünde, s. Ausführungen weiter unten) in vorgegebener Position verbleibt und eine
Verformung der VIP-Ummantelung während der gesamten in-vacuo Fertigungskette vermeiden
hilft. Folgerichtig kommt die erhöhte Prozeßsicherheit hinzu, die aufgrund einer Automatisierung
eines in-vacuo Schweißprozesses unter Verwendung einschichtiger Ummantelungsmaterialien
gegeben ist und die alle durch den Betreiber (Operator) selbst verursachten Ungenauigkeiten
weitestgehend unmöglich macht. Auf diese Weise werden einschichtige Schweißnähte mit
homogenem Gefüge (Mikrostruktur) erzielt.
Ausführung 5: Vakuum-Fügezeit-Minimierung
[0079] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die operative Betriebszeit für den Geschwindigkeits-bestimmenden
und relativ teuren in-vacuo Füge-Schritt zu minimieren.
[0080] Die Lösung der Aufgabe wird mit einer Verbindung der Vorteile der in-vacuo Schweißverfahren
mit einer parallel zur Schweißnaht fortschreitenden in-vacuo Relativbewegung für Energiezufuhr
und resultierende Verbindungsbildung mit den Vorteilen der in-vacuo Schweißverfahren
mit einer entsprechenden senkrecht zur Schweißnaht fortschreitenden in-vacuo Relativbewegung
erzielt (kombinierte in-vacuo Fügeverfahren I, cf. Tabelle 1 und Ausführungen 1 -
4). Es wird auf die Zusammenfassung der prinzipiellen in-vacuo Relativbewegungen in
Bild 3 und Verfahrensmerkmal f3) des Anspruches 1 hingewiesen.
[0081] Die Vorteile der senkrecht zur Schweißnaht fortschreitenden in-vacuo Relativbewegung
liegen in der hohen Füge-Geschwindigkeit, die mit entsprechenden Verfahren erzielt
werden können. Dies liegt an ihrer Automatisierbarkeit (cf. Widerstands-Punkt-Schweißen
via Direkt-Druck-Maschinen) und an den sehr dünnen, i.e. transversal eng begrenzten
Querschnittsbreiten entsprechender Schweißnähte und der damit verbundenen Beschränkung
des Energieaufwandes und Energie- oder Wärmeflusses durch Projektionsschweißen (sowohl
im Festkörper als auch via Aufschmelzen, eventuellem Mischen mit einem Zusatz und
Erstarrung) sowie die damit verbundene Möglichkeit der Nutzung intrinsischer Energie
wie die einer lokalen Vorprodukt-Verformung.
[0082] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Kombination
a) dem lokalisierten Projektionsschweißen via Aufschmelzen mit dem (kontinuierlichen)
Rollnaht-Widerstands-Schweißverfahren oder
b) dem lokalisierten Projektionsschweißen via dehnungs- oder stauchungs-assoziiertem
Diffusionsverbinden mit dem (kontinuierlichen) Walzschweißen (im "kalten" oder "heißen"
Zustand) gelöst (vgl. Tabelle 1). Dabei werden eine oder mehrere (parallel verlaufende)
und durch Kerbeindrucksrollen geformte Schweißnähte hoher Verformungsenergie (eg.
in Stahl) unmittelbar vor dem Schweißvorhang in das Vorprodukt eingekerbt und mit
Rollenelektroden oder-Walzen linear durch die Rollenelektroden oder Walzen hindurchbewegt
und kontinuierlich zusammengepreßt. Auf diese Weise werden die Eigenschaften des Rollnaht-Widerstandsschweißen
und des Kalt- oder Warm-Walzschweißens auf die sehr lokalisierten Schweißnähte des
Projektionsschweißens mit allen ihren Vorteilen kombiniert. Besonders vorteilhaft
ist selbstverständlich die hier offenbarte Festkörper-Schweißverfahrens-Variante aufgrund
ihrer besonderen Eignung für das Fügen in einem Vakuum infolge der relativ beschränkten
Erwärmung der Schweißnaht und der resultierenden reduzierten Verdampfungsproblematik
gegenüber dem vergleichsweisen Aufschmelzen desselben Werkstoffes oder Werkstoffkombination.
Ausführung 6: Laschenfreies in-vacuo Folienfügen
[0083] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die operative Betriebszeit für den Geschwindigkeits-bestimmenden
und relativ teuren in-vacuo Füge-Schritt einer VIP zu minimieren, worin die VIP an
der in-vacuo Stirnnaht frei von einer überstehenden Lasche sein soll.
[0084] Die Lösung der Aufgabe wird mit einer Verbindung der Vorteile der in-vacuo Schweißverfahren
mit einer parallel zur Schweißnaht fortschreitenden in-vacuo Relativbewegung für Energiezufuhr
und resultierende Verbindungsbildung mit den Vorteilen der in-vacuo Schweißverfahren
mit einer entsprechenden senkrecht zur Schweißnaht fortschreitenden in-vacuo Relativbewegung
erzielt. Es wird auf Verfahrensmerkmal f3) des Anspruches 1, auf Ansprüche 2 und 3
und auf Anspruch 12 und auf
Bilder 3-2 und 3-3 und auf
Bild 4 sowie die entsprechenden Bildbeschreibungen hingewiesen.
[0085] Die Vorteile der senkrecht zur Schweißnaht fortschreitenden in-vacuo Relativbewegung
liegen in der lokal hohen und zugleich genau kontrollierbaren einbringbaren Energie
wie mit dem Laser-Strahl-Schweißverfahren mit einem Hochleistungsdioden-Laser wie
dem Nd:YAG-Laser. Eine konstante Vorschubgeschwindigkeit gewährleistet dabei konstante
Wärmeabfuhr und somit ein homogenes weil reproduzierbares Schweißnahtgefüge. So ist
ein homogenes globulistisches Schweißnahtgefüge kritisch und notwendig für die Duktilität
der Schweißnaht (vgl. letzter Unterpunkt in Anspruch 3). Eine Duktilität der Schweißnaht
kann aber nur durch eine konstante Vorschubgeschwindigkeit eg. eines Lasers zum Vorprodukt
(oder umgekehrt) gewährleistet werden, weil nur durch eine solche konstante Vorschubgeschwindigkeit
versprödende Stengelkristalle und (Mikro)Seigerungen ausgeschlossen werden können.
[0086] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Kombination aus zwei linearen Schmiede-Klemmen
parallel und eventuelle symmetrisch zum darin in der Mitte, i.e. linear-zentrisch
angeordnetem Aufschmelzen mit dem mit einem Hochleistungsdioden-Laserausgeführten
(kontinuierlichen) Laser-Schweißen und Erstarren zu einer Schweißnaht gemäß
Bild 4 gelöst. Dabei dienen die zwei linearen Schmiede-Klemmen als Spannvorrichtung in Form
eines statischen Balkens für die zu verscheißenden Folien und zugleich als beidseitige
Kühlfalle, welche ggfs. mit einem durch sie eg. in Mäanderform hindurchfließenden
Kühlmittel gekühlt werden, für die Verdampfungen, die durch den durch sie parallel
hindurchfahrenden Hochleistungsdioden-Laser anfallen. Alternativ können zwei auf die
Umgebung des Laserstrahls lokalisierte Kühlfallen mit gleicher Vorschubgeschwindigkeit
wie die der in-vacuo Relativbewegung zwischen Vorprodukt und Lasergerät mit dem Lasergerät
dynamisch mitgeführt werden. Die Kühlfalle ist dabei wichtig, weil mit dem Laser eine
relativ hohe Energie aufgewandt wird, um zur Vermeidung überstehender Laschen die
Folie im Außenbereich der VIP parallel zur Schweißnaht gleichzeitig in-vacuo abtropfen
zu lassen. Es ist deshalb besonders vorteilhaft, die Kühlfalle lokal mit unterschiedlichen
Kühlleistungen zu betreiben, wobei die Kühlleistungen beider Kühlfallen oberhalb eines
kritischen Wertes liegen, bei dem verdampfendes Material in den Fügebereich der Vakuumkammer
und darüber in den Hintergrund der Vakuumkammer gelangen könnte.
[0087] Beide Presswerkzeuge, also das obere Presswerkzeug (eg. mit einer Pressbacke) und
das untere Presswerkzeug (eg. mit einem Preßbolzen) sollten vorteilhafterweise eine
zu der in
Bild 3-2 dargestellten vakuumtauglichen Laser-Fügeapparatur vertikale Bewegung ausführen beziehungsweise
ausführen können. So wird sichergestellt, daß insbesondere immer dann, wenn sowohl
die Unter- als auch die Oberfolie für eine VIP eine Schalenform enthalten, vor Abschluß
einer Evakuierung des offenen Innenraumes der betreffenden VIP ein genügend großer
Spalt und eine symmetrische Spalt-Öffnungsform für die gewünschte Strömung für den
Gasaustritt eingesetzt wird und nach Abschluß dieser Evakuierung ein symmetrisches
und somit auf beiden Seiten identisches Schließen durch Aneinanderpressen der nichtverschweißten
Unter- an die Oberfolie der VIP-Öffnung mit beiden Presswerkzeugen in dem in-vacuo
Laserfügen enthalten ist.
[0088] Bild 3 - 2 zeigt eine vakuumtaugliche Fügeapparatur zur Ausführung des in-vacuo Füge-Verfahrens
mit einem
50 Laser,
51 Laser-Fokussierung,
52 Laser-Linearantrieb,
53 Laser-Linear-Führungseinheit,
54 Einkoppelfenster,
55 Vakuumkammerwand eines abhebbaren Vakuumkammerdeckels,
56 oberem Presswerkzeug,
57 Kühlmittelkanal,
58 unterem Presswerkzeug,
59 Auflagetisch für eine Vakuumisolationspaneele (VIP),
60 Vakuumkammerboden,
61 Dichtflansch,
62 Antrieb für das untere Presswerkzeug und
63 Kanal zur Gewährleistung einer kontaktfreien Bildung einer Schweißnaht und zum Auffangen
von Schmelztropfen in einem anschließendem Trennvorgang durch Schneiden zweier verschweißter
Folien mit einem Laser aufschmelzen der zwei verschweißten Folien.
[0089] Wichtig für die Unabhängigkeit der Länge des Laser-Strahls von Bewegungen der Vakuumkammerwand
(eg. eines wie in
Bild 3-2 dargestellten abhebbaren Vakuumkammerdeckels infolge der auf ihm lastenen Druckkraft
infolge des Druckdifferentials zwischen Umgebungsatmosphäre und Vakuum der betreffenden
Vakuumkammer) ist die aus einer vertikalen Verbindung bestehende Anbringung von
52 Laser-Linearantrieb und
53 Laser-Linear-Führungseinheit an der Vakuumkammerwand in einem Bereich
64, der vertikal darunter durch eine vertikale Vakuumkammerwand gestützt wird, worin
der Bereich
64 und die vertikal darunter befindliche Vakuumkammerwand außerhalb der Zeichenebene
in
Bild 3-2 liegen und dementsprechend nicht in
Bild 3-2 dargestellt sind und der Bereich
64 nur angedeutet ist. Es ist die Inkompressibilität solcher vertikalen Wände, aufgrund
derer die Unabhängigkeit der Länge des Laser-Strahls von Bewegungen der Vakuumkammerwand
zustande kommt. Die Apparatur in Bild 3-2 ermöglicht Ausführungsbeispiel f3) in Anspruch
1, weil auch die Unabhängigkeit der Länge des Laser-Strahls von Bewegungen der Vakuumkammerwand
eine e.g. in der Vertikalen fixe horizontale Bewegung von
52 Laser-Linearantreib und
53 Laser-Linear-Führungseinheit ermöglicht und deshalb der Vorschubsgeschwindigkeit-Vektor
des Lasers in einer anderen Ebene im Raum als die vertikalen Zeichenebene in
Bild 3-2 konstant ist. Es versteht sich, daß die Vertikale eine beliebige andere Ebene im
Raum außer derjenigen Ebene im Raum sein kann, in der die durch die Laser-Linear-Führungseinheit
gesteuerte Bewegung des Lasers stattfindet.
[0090] Auf diese Weise läßt sich auch jede Form einer Verspannung der transversalen Außenseiten
der VIP vermeiden, die auftreten würden, wenn eine überstehende Lasche nach dem in-vacuo
Fügen nachträglich durch einen nicht-reproduzierbaren Arbeitsschritt innerhalb der
Spannvorrichtung oder durch einen separaten Arbeitsschritt außerhalb der Spannvorrichtung
entfernt werden sollte. Ein solcher Sekundär-Arbeitsschritt würde außerdem zu einem
unreproduzierbaren Abschluß der VIP-Kante führen, weil aufgrund der lokalen Spannungen
an den Ecken einer VIP die Abtrennung in die Schweißnaht hineingelangen könnte. Auf
die erfindungsgemäß durchgeführte Weise bleibt die Duktilität der Schweißnaht aber
erhalten und muß keiner unerwünschten Kaltverformung geopfert werden.
[0091] Unter diesen Bedingungen enthält die angewandte Laserleistung für das leckfreie in-vacuo
Verschweißen zweier in einer Ruhepoosition befindlichen Edelstahlfolien WS 1.4301
mit einer Wandstärke von 70 µm bei einer Vorschubgeschwindigkeit eines extern zur
Vakuumkammer angebrachten Lasers von 0,02 m/sec einen Wert von 500 Watt [W].
[0092] Weitere Ausführungsbeispiele für das Verfahren nach Anspruch 1 mit einem Laser sind
in Anspruch 4.A für eine in-vacuo Laserstrahl-Einkopplung allgemein und in Anspruch
4.B für ein in-vacuo Laserverschweißen von Folien allgemein gegeben. In Anspruch 15
und 16 sind die Einzelheiten der Vorrichtung
für ein brechungsarmes und Reflektions-freies Einkoppeln des Laserstrahls in die Vakuumlkammeratmoisphäre offenbart. Der speziellen
Vorschubgeschwindigkeits-Vektor der außen vorbeifahrenden Laserapparatur wird erfindungsgemäß
durch die Inkompressibilität der Anbringungsmaterialien der außen vorbeifahrenden
Laserapparatur sowie der Vakuumkammerwand unter dieser Anbringung konstant. Es wird
auf die Randbedingungen unter Ausführung 1 hingewiesen, die dieses Verfahren voraussetzt.
Für das in-vacuo Laserverschweißen von Folien einer VIP-Öffnung gemäß Anspruch 5.A
werden vorzugsweise die Evakuierungsbedingungen gemäß Anspruch 3 eingesetzt. In Anspruch
5.B wird das in-vacuo Laser-Schweißen-und-Schneiden von Folien einer VIP-Öffnung allgemein
gelehrt und entsprechend in planparallel aneinandergepresste oder einen Vakuuminnenraum
abschließende Folien einer entsprechenden nichtverschweißten Öffnung unterschieden.
Anspruch 6.A offenbart ein Laschen-freies in-vacuo Laser-Schweißen-und-Schneiden von
Folien einer VIP-Öffnung und Anspruch 6.B ein Verspannungsfreies in-vacuo Laser-Schweißen-und-Schneiden
von Folien einer laschenfreien VIP-Öffnung. In diesem Zusammenhang wird auf die Bildbeschreibungen
zu den
Bildern 2-2 bis 2-5 und 3-2 und 3-3 hingewiesen.
Ausführung 7: Kunststoffreie in-vacuo VIP-Ummantelung ohne lösbare Verbindungen
[0093] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kunststoffreies VIP-Gehäuse ohne lösbare
Verbindungen für den Einsatz bei hohen Temperaturen und unter statischer Belastung
bereitzustellen.
[0094] Die Lösung der Aufgabe wird mit einer Ummantelung aus einem hochschmelzenden metallischen
Werkstoff erzielt, weil ja bekanntlich die kritischen mechanischen Eigenschaften eines
VIP-Verbundfolienmaterials wie Steifigkeit (E-Modul) und resultierende Festigkeit
direkt proportional zum Schmelzpunkt desselben Materials sind (cf. C. Kittel, Introduction
to Solid State Physics, 5th ed. New York, Wiley, 1976).
[0095] Erfindungsgemäß wird Edelstahlfolie als Ummantelungsmaterial eingesetzt und mit einem
Verfahren nach einem oder mehreren der Ausführungen 1 - 6 hergestellt. Auf diese Weise
werden VIP mit einer Stahlfolien-Ummantelung oder Stahl-Gehäuse mit reduzierter Gehäusematerialwandstärke
ohne lösbare Verbindungen an der Ummantelung infolge einer in-vacuo Fertigung entsprechender
Versiegelungenermöglicht, die einen verbesserten Schutz gegen Schaden gegenüber VIP
mit einer Verbundfolien-Ummantelung und geringere Wärmeleitung gegenüber Stahlgehäuse-VIP
gemäß Stand der Technik aufgrund reduzierter Ummantelungs-Querschnitte bei gleichzeit
erhöhter Produktivität entsprechender Fertigungsverfahren und Freiheit eines Einsatzes
von "getter"-Materialien anbieten.
[0096] Die speziellen Produktvorteile von in-vacuo verschweißten VIP mit kunststoffreier
metallischer Ummantelung wie mit einer Edelstahlfolie umfassen:
- 100 %ig gasdichte Umhüllung inklusive Schweißnaht.
- maßhaltige, feste, abriebfeste, statisch stabile, knickfeste, tragende und faltungsfreie
Oberfläche.
- temperaturstabile Umhüllung.
- geringere Wärmeleitung bei gleicher Festigkeit vs. einer VIP mit einer Ummantelung
aus einem relativ dickwandigen unter Normalbedingungen gefertigetem (Edel)Stahlgehäuse
Stahlgehäuse oder aus einer Aluminiumfolie gleicher Wandstärke oder aus einer Verbundfolie,
die eine Gas-Barriereschicht aus Aluminium enthält.
[0097] Speziell gegenüber den VIP aus Edelstahl-Gehäusen nach DE 42 14 002 umfassen die
besonderen Vorteile einer in-vacuo hergestellten VIP mit einer Edelstahlfolie als
Ummantelungsmaterial eine reduzierte Wärmeleitung über die transversalen Wärmebrücken,
weil geringere Ummantelungsquerschnitte verarbeitet werden können, da vom VIP-Kern
während der Fertigung kein Druckdifferential aufgenommen werden muß sowie ein reduziertes
Wärmebrückenproblem dadurch enthalten ist, daß an 2 Seiten einer eg. rechtwinkligen
(rechteckigen) VIP die entsprechende Folie ohne Laschenbildung zu einem Schlauch gefaltet
wird und dort achtmal weniger Wärme leitet als entsprechende Wärmebrücken aus Aluminium
und zur Reduzierung der Gesamtwärmebrücke an den zwei weiteren Seiten die resultierenden
Laschen gefaltet und an den entsprechenden transversalen Außenwänden der VIP an- oder
verklebt beziehungsweise verlötet werden und keine lösbaren Verbindungen enthalten
sind (s.
Bild 5).
[0098] Die sogenannte "Wärmebrücke" an den transversalen Außenseiten stellt eine grundsätzliche
Einschränkung der Wärmefluß-Barrierefunktion einer VIP dar. Hier hat eine VIP-Stahlfolie
ohne weitere Komponenten beispielsweise gegenüber einer Aluminiumfolie ohne weitere
Komponenten den Vorteil, bei gleichem Folienquerschnitt eine achtmal geringere transversale
Wärmeleitung zu verursachen. Aufgrund der höheren Festigkeit von Stahl kann der entsprechende
Querschnitt und somit die absolute Wärmeleitung von Stahl an den transversalen Außenseiten
der VIP gegenüber einer transversalen Außenseite aus Aluminiumfolie weiter gesenkt
werden. Die besonderen Eigenschaften von Stahl wie relativ kostengünstige Verfügbarkeit
und gegenüber allen bisher in Betracht gezogenen Materialien erheblich verbesserte
Schadenstoleranz (i.e. weniger leicht zerstörbar) infolge der typischen Edelstahleigenschaften
wie Festigkeit bis 500 -700 N/mm
2 (vgl. Kunststoffe bis max. 35 N/mm
2), E-Modul 181 - 230 kN/mm
2 (vgl. Kunststoffe mit Zug-E-Modul im Bereich 0,1 - 20 kN/mm
2), thermische Beständigkeit bis 1000°C (handelsübliche Verbundfolien nach Stand der
Technik bis max. 80° C), die weit überlegen sind gegenüber typischen VIP-Folienwerkstoffen
wie Polyethylen, kommen zum Tragen, wenn Stahl(folie) über den gesamten Querschnitt
der VIP-Ummantelung angewandt wird.
[0099] Eine solche VIP erlaubt wesentlich höhere VIP-Einsatztemperaturen gegenüber einer
VIP, bei der die Ummantelungswerkstoff aus einer Kunststoff-haltigen Verbundfolie,
aber auch gegenüber VIP aus einem kunststoffreien Folie aus einem relativ niedrigschmelzenden
Werkstoff wie Aluminium besteht (NB. auch eine nach Ausführungen 4 - 7 angefertigte
Aluminium-Ummantelung erlaubt den sichereren Einsatz bei höheren Einsatztemperaturen
gegenüber den handelsüblichen VIP-Verbundfolien gemäß Stand der Technik). Bei völliger
Abwesenheit von Kunststoff als dem thermisch labilsten Bestandteil einer Verbundfolie
mit Metall-Gasbarriereschicht ergeben sich Produktvorteile wie absolute Vakuumdichtheit
über einen längeren Zeitraum, i.e. P(t) = const. (bei VIP nach Stand der Technik steigt
der Innendruck im Vakuum-Innenkern langfristig unter anderem aufgrund von imperfekten
weil inhomogenen Kunststoff-Dichtungen wieder an). Das überlegende P(t)-Verhalten
der erfindungsgemäßen VIP-Ummantelung beruht auf a) der metallischen Versiegelung
durch Verschweißung bei relativ hohen Temperaturen bezogen auf den Temperatur-stabilsten
Bestandteil der VIP-Ummantelung sowie b) auf der Abwesenheit von Kunststoffen in der
VIP-Ummantelung. Typische Kenndaten einer VIP mit einer in-vacuo verschweißten Ummantelung
aus Edelstahlfolie und ohne lösbarer Verbindung sind Wärmeleitung λ < 3 x 10
-3 W/mK und P(t) für t = 0 < 4 mbar mit den nach Ausführung 4 - 6 in-vacuo angefertigten
metallischen Schweißnähten. Ferner wird ein wesentlich verbessertes Zeitverhalten
des Druckes im VIP-Innenraum, dem VIP-Kern erzielt. So beträgt P(t) für t= 2 Jahre
denselben Wert für Druckbereiche < 5 mbar oder für jeden anderen Wert wie für t =
0, in jedem Fall aber ein besseres Zeitverhalten als VIP nach dem Stand der Technik,
in denen in der Regel ein Anstieg des Innendruckes bereits nach t
crit = 1 Jahr feststellbar ist. Hieraus ergeben sich effektiv erhöhte Lebensdauer-Zeitspannen
t
Leb sowie umgekehrt entsprechende Freiheitsgrade bei der Auslegung der VIP-Versiegelung
für eine gegebene beziehungsweise geforderte Lebensdauer je nach Verbraucherart (t
Leb(Geräte) < t
Leb(Fahrzeuge), t
Leb(Gebäude)).
Ausführung 8 Kunststoffreies in-vacuo Fügen metallischer Strukturen in einer Fertigungskette
[0100] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das in-vacuo Fügen als den Geschwindigkeits-bestimmenden
Schritt bei hohen Fügegeschwindigkeiten am Beispiel kunststoffreier metallischer Werkstoffe
wie Edelstahlfolien einer VIP im Vakuum in eine Fertigungskette zu integrieren.
[0101] Die Lösung der Aufgabe wird durch eine zeitliche Verkürzung der Relativbewegungen
pro in-vacuo zu fügendes Vorprodukt dadurch erzielt, daß die vakuumtaugliche Fügeaparatur
nach einem oder mehreren der Verfahren nach Tabelle 1 eine Kombination aus gegenläufiger
und paralleler Bewegung zum Vorprodukt im Fügebereich ausführt, worin in-vacuo (Auf)Schmelz-Schweißverfahren
bei T > T
S und Festkörper-Schweißen bei T < T
S am Beispiel einer VIP mit monolithischer Ummantelung aus Metall oder Legierung eingesetzt
werden. Es wird auf die Verfahrensansprüche 9 - 14 hingewiesen.
[0102] Erfindungsgemäß erlaubt die in-vacuo Relativbewegung des Fügens ein kontinuierliches
Fügen der VIP-Versiegelung via einer in-vacuo Fertigungskette unter kontinuierlichem
Ersatz via Abfuhr des gefügten Produktes von und Zufuhr des entprechenden mindestens
einen Vorproduktes in den Fügebereich der Vakuumkammer. Ausführung 2 enthält eine
in-vacuo Relativbewegung des Produktes relativ zur Versiegelungsvorrichtung. Bei besonders
großen zu fertigen Strukturen wie besonders große VIP ist es dagegen besonders vorteilhaft,
die noch offene VIP in einem Fügebereich der Vakuumkammer zu fixieren und die Schweißvorrichtung
wie eine Laser-Schweißapparatur oder die mindestens zwei Rollenelektroden einer vakuumtauglichen
Rollnahtschweißmaschine entlang einer Präzisionsführungsschiene an der zu verschweißenden
Lasche entlang zu fahren. Der Grund hierfür ist, daß die lineare Präzisionsbewegung
zum Beispiel einer in-vacuo Laserapparatur einfacher zu steuern ist als beispielsweise
eine VIP mit einem Querschnitt von 2 m
2.
[0103] Erfindungsgemäß wird eine "automatisierte in-vacuo Relativbewegung" zwischen Schweißvorrichtung
und Produkt durchgeführt, worin die Schweißvorrichtung eine vakuumtaugliche Festkörper-Schweißvorrichtung
oder eine vakuumtauggliche (Auf)Schmelz-Schweiß-Vorrichtung nach einem oder mehreren
der Verfahren in Tabelle 1 ist, worin die entsprechende Vorrichtung beweglich relativ
zu dem zu fügenden Vorprodukt und das Vorprodukt in einem in-vacuo Verarbeitungsbereich
der entsprechenden Vakuumkammer positioniert und (mit einer Halterung) arretiert (fixiert)
wird. Vorzugsweise wird das Vorprodukt dabei auf einer Führungsschiene in die Position
des in-vacuo Verarbeitungsbereichs gebracht. Auch ist es vorteilhaft, das Vorprodukt
zusammen mit einer lokal fixiert arbeitenden in-vacuo Fügeapparatur auf einer Führung
zusammen zu fixieren und während des Fügevorgangs gemeinsam innerhalb des in-vacuo
Fügebereiches fortzubewegen, sodaß während des in-vacuo - Fügens bereits einem neuen
Arbeitsgang mit einem neuen zu fügenden Exemplar Platz gemacht wird.
[0104] Durch folgende Maßnahmen wird mit den Verfahren nach Tabelle 1 eine große Stückzahl
kunststoffreier metallischer VIP-Ummantelungen wie Edelstahlfolien oder Folien aus
einem NE-Metall in-vacuo versiegelt:
1. Unabhängige Kühlkreisläufe kühlen die in-vacuo Schweißnaht lokal in der Nähe der
Schweißnaht durch mit der Fügeapparatur mitgeführte Kühlrollen nahe der Schweißnaht
(s. Ausführung 4)
2. Unabhängige Kühlkreisläufe kühlen Elektroden der Widerstandsschweißverfahren mit
einer Kühlflüssigkeit sowie Kühlfallen für lokale Vakuumkontrolle im Bereich der Schweißnahtbildung.
3. Metallische Werkstoffe minimieren Ausgasung aus der Oberfläche von Hydraulikvorrichtungen
wie metallische Stretchschläuche für Hydraulikflüssigkeitsleitungen sowie der Vorprodukte
und Produkte.
4. In-vacuo Spannungen im Druckbereich 10-3 bis 10-1 mbar nicht über 50 V.
5. Schwebetechnik und verschleißfreie Führungen zur Durchführung des in-vacuo Transportes.
[0105] Diese Maßnahmen erlauben die weitestgehende Vorbereitung des mindestens einen Vorproduktes
unter Normalbedingungen und die Beschränkung des Vakuum-Fügens auf das in-vacuo Verschweißen
einer einzigen Seite, der sogenannten Stirnnaht einzelner VIP mit hoher Stückzahl.
Bei einer quadratischen oder rechteckigen VIP aus zwei gegenüberliegenden Folien werden
demnach drei Seiten vor Einbringen der VIP in die entsprechende Vakuumverarbeitungsapparatur
unter Normalbedingungen vakuumdicht verschweißt oder es wird eine zu einem Schlauch
gefaltete oder geknickte kunststoffreie Folie verwandt,die zunächst durch Falten oder
Knicken zwei fügefreie vakuumdichte VIP-Seiten liefert und unter Normalbedingungen
zunächst nur an einer Seite vakuumdicht verschweißt wird. Auf diese Weise reduziert
sich die Anzahl der überstehenden Laschen (Überlappungen) mit der Breite x auf 2 pro
rechteckiger VIP. Danach wird die verbleibende offene Lasche zum Evakuieren des VIP-Kerns
in einer Vakuumkammer für in-vacuo Fügen genutzt und anschließend im Vakuum selbst
verschweißt. Entsprechende VIP sind frei von lösbaren Verbindungen wie Ventile und
erzielen so eine höhere Produktsicherheit. Zur Unterstützung des Fügevorganges, bei
dem Fügeapparatur und Vorprodukt gemeinsam arretiert werden und während eines in-vacuo
Fügens eg. mit dem Widerstandspunktschweißen (s. Tabelle 1) eine Translationsbewegung
durch den Fügebereich der Vakuumkammer durchführen (s. oben), werden entsprechende
VIP zuvor unter Normalbedingungen zu der Form einer offenen Flasche vorbereitet, sodaß
der VIP-Innenraum nur noch an einer entsprechenden Punkt-Öffnung versiegelt wird und
die senkrecht zur Schweißnaht fortschreitende in-vacuo-Relativbewegung für Energiezufuhr
und resultierende Verbindungsbildung auf die entsprechende Fügestelle beschränkt ist.
[0106] Auf diese Weise werden VIP mit rechteckigen, stumpf- und spitzwinkligen sowie runden
VIP-Profilen in-vacuo hergestellt. Wärmeflußkontrolle wird gemäß Ausführung 2 durchgeführt.
Die Größe der VIP ist von der Dimensionierung der eingesetzten Vakuumkammer für das
in-vacuo-Fügen abhängig und es werden VIP mit einer kunststoffreien metallischen Querschnittsfläche
bis zu 3 m
2 erzielt. Typische VIP-Wandstärken inklusive VIP-Kern liegen im Bereich von 10 bis
120 mm. Mit dem Laser- und dem Elektronenstrahlverfahren werden in-vacuo an allen
Seiten Laschen-freie VIP hergestellt. Die eingesetzten Pulverkerne sind bis 1400°C
stabil. Sofern Laschen wie beim Rollnahtschweißen verbleiben, werden überstehende
Restnähte gefaltet und an die transversale Außenseite der entsprechenden VIP angeklebt.
Einerseits reduziert dies die Wärmebarriere (transversaler Wärmeflußwiderstand) bei
besonders dünnen transveralen Stahlummantelungen an zwei Seiten gegenüber Edelstahlfolien-VIP
ohne Restnähte beziehungsweise überstehenden Laschen, andereseits wird so die Wärmebarriere
gegenüber den konventionellen VIP mit Edelstahlgehäuse und lösbarer Verbindung aufgrund
signifikant reduzierter Ummantelungsqüerschnitte erhöht.
[0107] Dadurch sowie durch die Kontrolle des Vakuumzustandes im Fügebereich der Vakuumkammer
unmittelbar an der Schweißnaht (s. Ausführungen 1 - 7) ist ein einziger Evakuierungsvorgang
der Vakuumkammer pro Anzahl N von entsprechenden Vorprodukte und/oder gefertigten
Strukturen notwendig, bevor über eine erneute Ein- und Ausschleusung der Vor- und
Endprodukte die entsprechende Vakuumfügekammer neu chargiert wird (vgl. Verfahrensansprüche
9 - 14).
Ausführung 9 Kunststoffreies in-vacuo Fügen beschichteter VIP-Ummantelungen
[0108] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, individuelle in-vacuo hergestellte Vakuumisolationspaneele
(VIP) bei niedrigem Kosten-Leistungsverhältnis herzustellen, wobei die Betonung auf
der Verbesserung ausgesuchter Oberflächeneigenschaften wie Verschleißfestigkeit und
auf Reduzierung der Stückkosten durch Einsatz einer kunststoffreien Ummantelung und
Automatisierung der VIP-Fertigung liegen soll. Hinsichtlich Ausführung 9 wird auf
Ausführung 7 und die vom Verfahren nach Anspruch 1 ff. abhängigen und ansonsten unabhängigen
VIP-Ansprüche 17 und 19 sowie auf die abhängigen VIP-Ansprüche 18 und 20 ff. hingewiesen,
worin eine rein aus einer Metallfolie bestehende Ummantelung durch in-vacuo-Fügen
verarbeitet wird.
[0109] Es wird eine kunststoffreie Metallfolie mit PVD oder CVD beschichtet, wobei mindestens
eine der chemischen Komponenten A (zum Beispiel Yttrium), B (zum Beispiel Kohlenstoff),
und C (zum Beispiel Zirkon) der Beschichtung während eines Schmelzvorganges im Kristallgitter
des Werkstoffes der metallischen Folie lösbar ist. Dabei enthält die resultierende
in-vacuo hergestellte Schweißnaht vorzugsweise eine einschichtige homogene Mikrostruktur.
In-vacuo Fügen favorisiert Einfachheit des Füge-Verfahrens. Deshalb werden vorzugsweise
Festkörper-Schweißverfahren bei Schweißtemperaturen T < T
S und b) Aufschmelz-Schweißverfahren bei T > T
S ausgeführt, worin T
S=Schmelztemperatur des Basismaterials der VIP-Ummantelung oder der höchstschmelzenden
Ummantelungskomponente, worin die pneumatische und hydraulische Systeme mit metallischen
(ggfs. Stretch-)Schläuchen ausgestattet sind.
Ausführung 10 Hochvakuum-VIP ohne lösbare Verbindung und mit kunststoffsfreier in-vacuo
Ummantelung und intra-Dämmkern-Abstandshalter
[0110] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen praktikablen Ersatz für teure Dämmkern-Füllstoffe
wie Aerogele zwecks wertbewerbsfähigerem Einsatz einer VIP bei hohen Temperaturen
bereitzustellen.
[0111] Die Lösung der Aufgabe wird durch eine hochvakuumdichte Ummantelung aus einem Metall
oder einer Legierung erzielt, worin
a) kein Dämmkern, aber dünnwandige metallische oder keramische Streben gegen Kollabierung
der Ummantelung durch das Hochvakuum und als Ersatz für teure Aerogele für Anwendungen
bei Temperaturen > 80° die Hochvakuum-VIP komplettiert (s. Ausführungen 12 und 13).
Es wird auf Verfahrensansprüche 7 bis 9 und auf VIP-Ansprüche 17 ff., und insbesondere
auf Anspruch 26 hingewiesen. Alternative Anwendungen der Hochvakuum-VIP sind der Einsatz
eines
b) relativ billigen Dämmstoffes wie Polyurethan für Anwendungen bei Raumtemperatur,
tiefen Temperaturen und bis 80°C, oder
c) eines Dämmkerns aus Aerogelen für den Einsatz bei allen Temperaturen, innerhalb
der auch die Ummantelung einsetzbar ist.
[0112] Besonders vorteilhaft sind dabei rein metallische oder aus einer Legierung bestehende
VIP-Ummantelungen oder ausgasungsarme Ummantelungen aus einem Metall-Keramikverbund,
worin die Keramik für die transversalen Außenseiten zur Reduzierung des Wärmebrückenproblems
an dieser Stelle eingesetzt werden (s. (vgl. Ausführungen 13 - 15 weiter unten). Die
intrinsische Steifigkeit einer Stahlfolie einer VIP ohne Dämmkern wird ferner gegen
Kollabieren auf einfache Weise konstruktiv durch eingeschweißte oder anders (ein)gefügte
Quer- oder Längsprofile eg. mit einem U- oder V-Profilquerschnitt als intra-Dämmkern-Abstandshalter
mit erheblichen Gewinn an dimensionsbehafteter Steifigkeit verstärkt, bevor sie zum
abschließenden Vakuumverarbeitungsschritt in eine Vakuumapparatur eingebracht wird.
Das Hochvakuum kompensiert dabei den Wärmetransfer-Effekt der aus Stahl oder einem
anderen Metall bestehenden intra-Dämmkern-Abstandshalter. Solche VIP sind besonders
vorteilhaft einzusetzen im LKW-Transport, weil sie hervorragend die Vibration des
Fahrbetriebs und resultierende Scherkräfte aufnehmen. Die Abwesenheit einer lösbaren
Verbindung an der Ummantelung ist essentiell für die Beibehaltung des Hochvakuums
in dem in-vacuo und somit ohne Druck-Differential versiegelten VIP-Innenraum. Entsprechende
Hochvakuum-VIP sind in jeder Hinsicht praktisch weil einfach und dem Prinzip folgend:
wenig Oberfläche, wenig verschiedene Werkstoffe, wenige Details - einfach dadurch,
daß die Fertigung in einer kompatiblen und tauglichen Art und Weise in das Hochvakuum
verlagert wurde.
[0113] Die Herstellung der Dämmkern-freien Ausführung ist besonders schnell, weil keine
hohen Oberflächen bzw. Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis der VIP-Dämmkern-Füllstoffe
für Isolationszwecke notwendig sind. Ein hohes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis der
VIP-Dämmkern-Füllstoffe ist für (die Herstellung von) Hochvakuum-VIP kontraproduktiv,
weil die Abpumpzeit proportional zur effektiven mittleren freien Weglänge der sich
so einstellenden VIP-Innenraumatmosphäre ist.
[0114] Erfindungsgemäß wird der VIP-Dämmkern-Füllstoff zur Verkürzung des Abpumpvorganges
für die Alternativen b) und c) erwärmt oder erhitzt, bevor die in-vacuo -"Verschweißung"
durchgeführt wird. Erfindungsgemäß wird hierzu die über mindestens eine Lasche offene
VIP auf eine planparallele und erwärmte oder erhitzte Heizplatte aus einem ausgasungsarmen
und gut leitfähigem Material wie Kupfer oder Aluminium gelegt, bis das gewünschte
Hochvakuum sowie das entsprechende dynamische Druckgleichgewicht zwischen Vakuumkammeratmosphäre
und VIP-Innenraum erreicht worden ist.
Ausführung 11 Druckabhängiges in-vacuo Fügen für metallische VIP-Ummantelungen
[0115] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Material-spezifisch kritische Parameter
wie den Druckbereich im VIP-Kern und die Duktilität der VIP-Ummantelung in Abhängigkeit
vom Material der VIP-Ummantelung zu definieren, um das in-vacuo Fügen frei von Störungen
durch die entsprechenden Ummantelungsmaterialien auszuführen.
[0116] Erfindungsgemäß werden-bei in-vacuo Fügeverfahren, bei denen eine hohe Temperatur
und/oder flüssige Phase oder teilflüssige, i.e. "Mushy zone"-artige Schmelz-Festkörpergemische
(i.e. in in-vacuo Schweiß-Schmelzen) oder relativ hoch zum betreffenden Schmelzpunkt
erhitzte Festkörper wie insbesondere solche auf Mg-Basis auftreten, die vom Sättigungs-Dampfdruck
des Materials der VIP-Ummantelung spezifisch abhängigen Verdampfungsprobleme dadurch
vermieden, daß die Vakuum-Atmosphäre an den Sättigungsdampfdruck des entsprechenden
Ummantelungsmaterials oder das Ummantelungsmatertial an den geforderten VIP-Kern-Innendruck
angepaßt wird.
[0117] Wenn mit der Vakuumversiegelung erfindungsgemäß besonders hohe Vakua erzielt werden,
also besonders niedrige Drücke im VIP-Innenraum, ist es besonders vorteilhaft, hochschmelzende
VIP-Ummantelungs-Werkstoffe mit sehr niedrigem Sättigungsdampfdruck wie Tantal oder
Stahl für Ummantelung und Versiegelung zu nehmen. Je höher der Schmelzpunkt T
S des Werkstoffes der Ummantelung und der Versiegelung, desto niedriger der Druck in
der Vakuumverarbeitungskammer beziehungsweise VIP-Innenraum. Dagegen werden Ummantelungen
auf der Basis von Magnesiumlegierungen vorzugsweise im Grobvakuum versiegelt. Der
Einsatz von Metallfolien ist demnach sowohl aus produkttechnischen (s. Ausführungen
7 - 10) als auch aus vakuumverfahrens-technischen Gründen (vgl. Ausführungen 1 - 6)
besonders vorteilhaft.
[0118] Bei der Selektion der Metallfolien wird deren Duktilität durch geeignete Vorauswahl
wie Reinheit und Gefüge sichergestellt. Folien aus Metallen oder Legierungen mit einer
hexagonalen (hexagonal dichtest gepackt, hdp) Gitterstruktur wie zum Beispiel auf
Ti-, Mg-, Be-Basis haben eine homogene Korngröße im Bereich von 1 Mikrometer, um Duktilität
und Verformbarkeit zu sichern. Entsprechende Folien-Mikrostrukturen sichern ebenfalls
Knickfestigkeit durch Widerstand gegen Zwillingsbildung im Kristallgefüge aufgrund
der Feinkörnigkeit im Mikrometerbereich und entsprechender Homogeneität. Als obere
Toleranz für Mg-Legierungen werden Korngrößen von 8 Mikrometern festgelegt (cf. E.
F. Emley, Magnesium Technology, Pergamon, 1966).
Ausführung 12: Kunststoffreies In-vacuo Fügen von Metall-Keramik Verbünden (für VIP)
[0119] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein stückkostengünstiges stoffschlüssiges
(i.e. physikalischchemisches) in-vacuo Fügeverfahren für eine gasdichte Metall-Keramik
Verbindung mit hoher mechanischer Festigkeit und Temperaturbelastbarkeit zu erzielen.
[0120] Die Lösung der Aufgabe wird durch ein Einstufiges (Direktes) In-vacuo Lötverfahren
mit Widerstands-Hartlöten oder Widerstands-Weichlöten oder Laser-Weichlöten, ein in-vacuo
Laserschweißen, ein in-vacuo Elektronenstrahlschweißen, ein in-vacuo Kaltpreßschweißen,
ein Ofen-Hartlöten, ein in-vacuo-Diffusionsschweißen, ein in-vacuo-Heißpressen, ein
Zweistufiges (Indirektes) In-vacuo Lötverfahren für einen Reaktionsverbund oder ein
in-vacuo Reibschweißen der Metall-Keramik Verbund-Nahtstelle erzielt.
[0121] Erfindungsgemäß wird das Vakuum ggfs. in Verbindung mit einer in-vacuo Vorerwärmung
der zu lötenden Verbindungsstelle zur Zersetzung von Oberflächen-Oxyden und/oder es
wird erfindungsgemäß eine in-vacuo Vorbearbeitung der Füge- oder Kontaktstelle, hier
insbesondere die der Keramik, durch Glätten, Polieren, Fixierung eines Lotes oder
Metallisieren eingesetzt. Nach einer ersten Evakuierung zwecks Herstellung einer kontrollierten
Unterdruckatmosphäre wird eine Spülung der Vakuumkammer mit einem Schutzgas zur Eliminierung
von ggfs. kritischen Residual-Sauerstoffmengen in der Vakuumanlage für das in-vacuo
Fügen nicht-oxydischer Keramiken oder mit einem reduzierenden Gas für das in-vacuo
Fügen oxydischer Keramiken eingesetzt.
[0122] Beim Einstufigen (Direktem) In-vacuo Lötverfahren wird für Ausbildung von Metallen
mit geringer Oxidationsneigung eine Metallschicht wie z. B. ein Lot vor Einbringen
der Vor-Produkte in das Vakuum auf die Keramik aufgetragen. Insbesondere bei reaktiven
Metall-Keramik Verbünden (eg. mit A1) wird eine automatische in-vacuo Auftragung des
Lotes dadurch vorgenommen, daß von einer Wickelmaschine das Lot abgewickelt wird und
das Lot ggfs. unter Einsatz eines Führstabes leicht auf die zu verlötende Kante der
Keramik oder des Metalls oder Legerung aufgedrückt, sodaß ein genauer Sitz des Lots
auf der Lötstelle während des Weitertransportes zum in-vacuo Fügebereich für den Lötvorgang
gewährleistet ist.
[0123] Folgende Lote werden dabei eingesetzt:
1. Silber-Basis-Lote für Stähle, warmfeste Konstruktionen, Kupfer und Cu-Legierungen
sowie Nickel und Ni-Legierungen, darunter eutektische AgCu-Lote.
2. Al-Si-Basis-Lote für Al-Legierungen.
3. CuP-Lote für Kupfer und Cu-Legierungen.
4. Gegen die Ausbildung spröder intermetallischer Zonen in der Verbindung wird Hf
als Lotelement zur Ausbildung einer Diffusionsbarriere eingesetzt.
5. Für verbesserte Adhäsion wird ein chemisch Sauerstoff-affines Zusatzelement zum
Lot wie Ti, Zr, Al, Si, Mn oder Li eingesetzt (aktive Hartlöt-Füllmaterialien, s.
Anspruch 4 F.).
[0124] Die Erfindung wird an einem in-vacuo Widerstands-Hartlötverfahren einer Stahlfolie
näher dargestellt. In dem System aus Elektrode, Keramik, Lot und Metallfolie stellt
die Keramik das Material mit dem potentiell höchsten Widerstand dar. Folglich werden
Elektroden aus einem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit wie Cr-Cu-Legierungen
(UNS C18200) AgW-Legierungen oder CuW-Legierungen eingesetzt. Gleichmäßigkeit der
Erwärmung der Lötstelle wird durch Einsatz einer wassergekühlten Rollenelektrode wie
beim Erhitzen via (kontinuierlichen) Widerstands-Schweißens) erzielt, deren Kontaktfläche
die Hälfte der Lötfläche(nbreite) nicht unterschreitet und vorzugsweise die gleichen
Konturen aufweist wie das zu verlötende Teil. Dieser Anforderung kommt die Tatsache
entgegen, daß metallische oder aus einer Legierung bestehende VIP-Ummantelungsfolien
auf Keramik-Kanten aufgelötet werden sollen.
[0125] Auf diese Weise erhitzt sich die Keramik-Lot-Schnittstelle am schellsten. Der eigentliche
Lötvorgang wird durch dynamisches Heiß-Pressen der Metall-Keramik Nahtstelle mit der
Rollenelektrode bei definierten Pressdruck P, Löttemperatur T und Lötzeit t ausgeführt,
die ausreichende Kapillarwirkung (Benetzung) zwischen den zu verlötenden Strukturteilen
sicherstellt und die Beibehaltung einer gleichmäßigen Temperatur, Vermeidung von Überhitzung
der Keramik-Lot-Schnittstelle und den rechtzeitigen Abschluß des Lötvorganges durch
eine Reduzierung der Temperatur an der Schnittstelle zwischen Keramik und Metallfolie
gewährleistet.
[0126] Wahlweise wird ein Vakuumofen oder vakuumtauglicher Vorwärmer eingesetzt, um hochfeste
oder chemisch stabile Löt-Verbindungen bei relativ niedrigen Löttemperaturen, relativ
kurzen Lötzeiten und geringen Vakuumanlagenaufwand zu erzielen. Auf diese Weise wird
unter Druck durch Widerstands-Preßlöten einer vorgewärmten Stahlfolie auf einen VIP-Rahmen
aus Al
2O
3 mit einer eingelegten Cu-Lötfolie eine Verbindung mit geringer Spaltbreite und 50
- 60 % der Festigkeit von Al
2O
3 erzielt. Auf diese Weise wird vermieden, daß eine zu dicke Lötnaht mit ungenügender
Festigkeit oder eine zu dünne Lötnaht, bei der das Lötmaterial an die Peripherie der
Lötnaht herausgequetscht wurde und lokal jegliche Verbindung unterlaufen wird, vermieden.
[0127] Ferner werden Widerstands- oder Laser-Weichlöten eingesetzt, wenn das Folienmaterial
der Ummantelung selbst einen relativ hohen elektrischen Widerstand aufweist und Gleichmäßigkeit
der Temperatur der Umgebung des Lotes rascher eintritt als beim Hartlöten (s. oben).
Beim Widerstands-Weichlöten werden dann vorzugsweise Elektroden aus einem Material
mit hohem elektrischen Widerstand wie Graphit eingesetzt.
[0128] Insbesondere das Laser-Weichlöten mit dem Neodymium -gedopten Yttrium-Aluminium "garnet"
(Nd:YAG) erlaubt die gut-fokussierte und hinsichtlich Ort und Zeit gut-dosierte Einbringung
der lokal erforderlichen Energie für das Weich-Löten mit entsprechendem feinem Korn
und Duktilität sowie Abwesenheit von thermischen Spannungen und Rißbildung in der
Lötnaht. Energie-Reflektierung durch Oberflächenemissivität der Lötstelle ist durch
das in-vacuo Weichlöten ein geringeres Problem als an einer Normalatmosphäre, weil
der Sauerstoff unter Beachtung der oben aufgeführten Maßnahmen vollständig "getrappt"
wurde und dies insbesondere bei in-vacuo Fügen gleicher Teile in einer Fertigungskette
gilt, für die sich das Laser-Weichlöten nach Optimierung der Parameter infolge der
Konstanz dieser Parameter wie unsbesondere die Geschwindigkeit der in-vacuo Relativbewegung
besonders eignet, weil sich notwendige Rückmeldungen erübrigen (vgl. Verfahrensmerkmal
f2) des Anspruches 1). Sofern verschiedene oder alternierende Vorprodukte großer Anzahl
gefügt werden, löst ein die Lötstelle in-vacuo kontrollierender Infrarot-Detrektor
eine intelligent automatisierte Anpassung der lokalen Lötparameter P, T und t aus.
Entsprechende Lötvorgänge sind billig, weil sie aufwendige Inspektionsroutinen nach
dem in-vacuo-Fügen erübrigen.
Ausführung 13: Kunststoffreie VIP mit in-vacuo Keramik-Wärmebrücke und ohne lösbare
Verbindung
[0129] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, individuelle VIP mit tragenden Eigenschaften,
Maßhaltigkeit und hoher Temperaturstabilität und sehr hoher Wärmedämmung bei niedrigem
Kosten-Leistungsverhältnis unter den Bedingungen der Automatisierung nach Ausführung
12 herzustellen, wobei die Betonung auf der Erhöhung der Leistung (hier: integrale
Wärmedämmung der Gesamt-VIP inklusive Wärmebrücken an transversalen Außenrädern) durch
eine Keramik-Wärmebrücke liegt.
[0130] Die Lösung der Aufgabe wird durch eine VIP mit einer Ober- und Unterfolie aus Edelstahl
und einem geschlossenen viereckigen Rahmen aus 100% dichter, i.e. Vakuum-dichter,
feinkörniger Si
3N
4 Keramik, feinkörniger Al
2O
3-Keramik oder feinkörniger ZrO
2-Keramik mit hoher Schadenstoleranz und Stoßfestigkeit erzielt.
[0131] Erfindungsgemäß wird die vorbezeichnete VIP in-vacuo nach dem "Aluminium-Verfahren"
(Einsatz von Al-Lötfolie für Stahl-Keramik-Verbünde) gefügt. Hierzu wird Aluminium-Lötfolie
mit einer Wandstärke von 0,5 mm zwischen die zu verbindenen Oberflächen aus Stahlfolie
und Si
3N
4 Keramik plaziert. Maximale Festigkeit der Verbindung wird bei 600°C unter einem Pressdruck
von 25 MPa nach etwa 15 Minuten in-vacuo Pressen erzielt. Gute Ergebnisse ergeben
sich auch bei Einsatz von Al-Lötfolie für VIP aus einem Verbund aus Stahlfolie und
Al
2O
3-Rahmen bei 700°C unter einem Preßdruck von 10
-2 Pa nach bereits für 5 min. Das "Aluminium-Verfahren" eignet sich ebenso hervorragend
zum in-vacuo Fügen 100% dichter und feinkörniger Keramiken aus ZrO
2, Sialon. Kordierit und α-SiC mit Nimonic 80-Folie. Mit der erfindungsgemäßen Fertigung
nach Ausführungen 12 und 13 werden durch Einsatz schadenstoleranter Keramiken für
den transversalen Ummantelungsrahmen gewährleistet:
- reduzierte Fertigungs- und Materialkosten,
- reduzierte Wärmeleitung (niedrigste λ-Werte zur Lösung des Wärmebrückenproblems),
- garantierte Vakuumkompatibilität der entsprechend preisgünstigen Fertigung.
- höchste Einsatz-Temperaturen: a) durch Keramik-Verstärkung anstelle eines Füllstoffes im Dämmkern plus Hochvakuum oder b) durch Keramik-Verstärkung mit
einem temperaturstabilen Füllstoff wie pyrogene Kieselsäure oder Aerogele im Dämmkern.
[0132] Die Konstruktion erlaubt im Randbereich der VIP hohe Druckfestigkeit, hohe Form-
und Maßgenauigkeit und hohe Wärmeisolierung (s.
Bild 6). Die Lösung des Wärmebrückenproblems mit einer mit einer in-vacuo Wärmebrückenisolierung
durch Keramik-Rahmen ist vakuumtauglicher als mit jedem Kunststoff für den VIP-Rahmen
infolge der niedrigeren Ausgasung beziehungsweise Sättigungsdampfdrücke entsprechender
Keramiken und ermöglicht eine kostengünstigere weil zum Beispiel "getter"-Material-freie
in-vacuo Fertigung und höhere Langzeit-Stabilität des Unterdruckes im VIP-Innenraum
auch bei höheren Anwendungstemperaturen. Sie wird durch die Ober- und Unterfolie aus
einer Edelstahlfolie anstatt mit einer handelsüblichen Verbundfolie unterstützt.
Ausführung 14: Hochfeste VIP mit Verstärkungen oder -Versteifungen aus Keramik
[0133] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine VIP mit höchster Wärmeisolation und
statischer Belastbarkeit für Anwendung bei beliebigen Temperaturen bereitszustellen.
[0134] Die Lösung der Aufgabe wird durch einen "Sandwich"-Aufbau der VIP gemäß Bild 7 und
den darin enthaltenen intra-Dämmkern-Verbindern
26 beziehungsweise intra-Dämmkern-Abstandshaltern
26 zwischen der jeweiligen Ober- und Unterfolie
27a und
27b erzielt, worin diese vorbezeichneten Verbinder beziehungsweise Abstandshalter aus
einem wärmeisolierenden Material hoher Festigkeit bestehen (s. a.
Bild 6). Hinsichtlich konstruktiver Formen von
26 wir auf
Bild 8 und Anspruch 19 hingewiesen.
[0135] Erfindungsgemäß werden für Anwendungen bei relativ
niedrigenden Temperaturen Kernmaterialien
28a aus Polyurethan oder anderen Schäumen sowie:
a) Vakuum-taugliche Klebstoffverbindungen aus kunststoffreien Klebern 29a zum in-vacuo Fügen des Verbundes der Metallfolien mit dem Keramikrahmen 25 und/oder der vorbezeichneten Metall- Keramik-Verstärkungen 26 oder Metall- Keramik-Versteifungen 26, worin eg. ein anorganischer Klebstoff auf mineralischer Basis mit einer Walzauftragnaschine
auf die zu verklebende Keramikkante des VIP-Rahmens aufgewalzt und der Keramik-VIP-Folienverbund
unter Druck verklebt wird (s. Anspruch 4.D), und/oder
b) Einstufiges (Direkte) in-vacuo Löten von Oxidgemischloten (eg. PbO-ZnO-B2O3 auf Si3N4) 29b für Verbindung mit Metallen bei Löttemperaturen von 350° C - 1700° C und Lötzeiten
im Minutenbereich. eingesetzt.
Erfindungsgemäß werden für Anwendungen bei relativ hohen Temperaturen Kernmaterialien aus pyrogener Kieselsaure (Pulver oder Plattenform)
28b, Aerogelen 28c und/oder Kernmaterial-freie und/oder aus einem Hochvakuum 28d oder einem Gradientenwerkstoff 28e (s. Anspruch 18) bestehende VIP-Innenräume 28 sowie folgende VIP-Metall-Keramik-Verbünde mit metallischen Lötfolien 29c durch das Einstufige (Direkte) in-vacuo Löten einer VIP-Ummantelung mit einem transversalen Keramik-Rahmen eingesetzt:
c) Aktivmetallöten von vorgewärmeten VIP-Ummantelungen aus Nb-Folie, Stahl-Folie etc.
27a und/oder 27b mit Aktivinetall, welches bei einer Löttemperatur von eg. 845°C eine höhere Affinität
zu Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff oder Bor besitzt und unter Druck als eingelegte
Lötfolie im Vakuum zur Reduktion der Oberfläche eines keramischen VIP-Rahmens wie
Al2O3 führt.
d) Einsatz von aktivierten Metallen wie amorphen Metallfolien 27a und/oder 27b oder zersetztem Ti oder Zr in Loten mit entsprechendem Hydrid oder Loten mit W oder
Mo aus entsprechendem Karbid.
e) Aktivmetallöten von vorgewärmten Ummantelungsfolien 27a und/oder 27b aus Nb, Stahl etc. mit Aktivmetall, welches bei einer Löttemperatur (eg. 845°C) eine
höhere Affinität zu Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff oder Bor besitzt und unter
Druck als eingelegte Lötfolie im Vakuum zur Reduktion einer Keramikoberfläche einer
Verstärkung oder Rahmens einer VIP aus einer Keramik 26 wie Al2O3 führt.
Ausführung 15: Lastaufnehmende und/oder warmfeste VIP-Verbünde ohne Spalt
[0136] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auf mindestens zwei individuellen
VIP basierende großflächige und besonders effiziente Wärmedämmung für lastaufnehmende
Anwendungen und Anwendungen bei einseitig höheren Temperaturen bereitzustellen.
[0137] Die Lösung der Aufgabe wird durch eine oder mehrere VIP mit einer Wärmebrückenisolierung
aus einer Keramik nach den Ausführungen 13 oder 14 durch ein in-vacuo VIP-Fügen nach
Ausführung 12 erzielt.
[0138] Erfindungsgemäß sind VIP nach Ausführung 14 für eine großflächige Wärmedämmung besonders
vorteilhaft, weil sie kunststoffrei sind und eine konstruktiv verstärkte Ummantelung
enthalten und relativ hohe Lastaufnahmen sowie Wärmedämmung gegenüber hohen Temperaturen
ermöglichen. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz konstruktiver Verbünde aus mindestens
zwei VIP nach Ausführung 14 für' großflächige Wärmedämmung bei fugenlosem Stößeln.
Konstruktive Verbünde von mindestens zwei individuellen VIP mit kompletter Stahlummantelung
eignen sich aufgrund ihrer gegenüber VIP mit einer Ummantelung aus einer handelsüblichen
Verbundfolie wesentlich verbesserten mechanischen Belastbarkeit und Eigenschaften
inklusive Festigkeit und Steifigkeit auch bei höheren Temperaturen.
[0139] Laschenfreie VIP nach Ausführung 14 eignen sich auf einer Seite an eine Gebäudewand(fläche)
angeklebt und entsprechend zu einem Verbund aneinander gestößelt auch zu dekorativen
Zwecken. Besonders vorteilhafte Anwendungen sind entsprechende VIP mit einer Edelstahl-Ober-
und Unterfolie, die mit einer Politur auf der Oberfolie versehen sind und zu dekorativen
Zwecken ohne weitere Verkleidung an einer der Umgebung ausgesetzen Wand(ung) installiert
werden. Es versteht sich, daß dann Stoßbeschädigung auch ohne Perforation zu vermeiden
ist. In dieser Erfindung ist Ummantelung und Abdeckung in einem Arbeitsschritt möglich,
weil eine (eg. Ober-)Folie aus Edelstahl besonders schadenstolerant ist. Ähnliches
gilt für entsprechende VIP mit mindestens einer (eg. Ober-Folie) aus einem Kupfer-Basiswerkstoff
wie OHC-Kupfer oder aus einem Tantal-Basiswerkstoff.
Ausführung 16: VIP-Verbund mit niedrigem Kosten-Leistungsverhältnis ohne Spalt
[0140] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auf mindestens zwei individuellen
VIP basierende großflächige Wärmedämmung bei niedrigem Kosten-Leistungsverhältnis
bereitszustellen.
[0141] Die Lösung der Aufgabe wird durch eine oder mehrere VIP mit einer Wärmebrückenisolierung
nach den Ausführungen 7 und 10 in-vacuo gefügt nach den Ausführungen 6, 8, 9 und 11
erzielt.
[0142] Erfindungsgemäß werden VIP-Verbünde mit niedrigem Kosten-Leistungsverhältnis hergestellt,
jedoch ohne eine über den versiegelten Kern hinaus überlappende VIP-Edelstahlfolie
(
Bild 2). Die laschenförmige Überlappung verschwindet in-vacuo durch in-vacuo Endig-fügen
wie nach Ausführung 6 oder durch nachträgliches Abschneiden, wobei eine präzise Endfügung
durch eine Genauigkeitsprüfung im lateralen µm-Bereich unter Benutzung von DMS-Streifen
für Positionierung der VIP und/oder interner oder externe Laser-Apparaturen für vakuum-interne
Schweißung und/oder für nach dem in-vacuo Fügen nachträglich durchgeführtes Abschneiden.
Die Lösung enthält Folien-überlappungsfreie VIP-Kanten gemäß Ausführung 15 und ist
somit ebenso für dekorative Zwecke geeignet, jedoch ohne Verwendung von Keramiken
als Werkstoff für intra-Dämmkern-Verbinder
26 beziehungsweise intra-Dämmkern-Abstandshalter
26.
Ausführung 17: VIP-Verbund mit Spalt für verdeckte Wärmedämmung
[0143] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auf mindestens zwei individuellen
VIP basierende großflächige Wärmedämmung bei niedrigem Kosten-Leistungsverhältnis
für dekorativfreie Anwendungen bereitszustellen.
[0144] Die Lösung der Aufgabe wird durch eine oder mehrere VIP nach Ausführung 4 erzielt,
worin die Ummantelung aus einer monolithischen Edelstahlfolie bestehen soll.
[0145] Mit der VIP nach Ausführung 4 wird die Anzahl struktureller VIP-Anwendungen erheblich
gesteigert. Hierbei ist insbesondere die Schaffung von VIP-Verbünden aus lateral aneinandergefügten
VIP zu nennen, wobei die entsprechende Technik zur Realisierung des Aneinanderfügens
aus:
- Bohrungen für Bohrlöcher, Verschraubungen und Klemmen in Überlappungen über den druckstabilen
Grundkörper hinaus, worin die Überlappungen eine ausreichende Steifigkeit und Festigkeit
zur Aufnahme von Scher-, Zug- und Druckkräften besteht.
Auch werden Laschen zweier VIP zunächst übereinandergelegt und dann zusammen mit
einem Klebstoff unter Anwendung eines Pressdruckes verklebt.
[0146] Aus Edelstahl bestehende Laschen eignen sich bevorzugt für eine mechanische Befestigung
via Nageln, Schrauben etc. unter Einsatz vorgebohrter Laschen etc. Es werden VIP mit
einer Edelstahlummantelung und Laschen eingesetzt, weil sich die laschenförmigen Überlappungen
über den isolierenden VIP-Innenraum hinaus für Befestigungen der VIP sowie für die
Befestigung transparenter Schutzwerkstoffe geeigneter Steifigkeit eignen, wenn der
Ummantelungswerkstoff Edelstahl ist.
[0147] Demgegenüber sind überstehende Laschen der VIP-Ummnatelungen handelsüblicher Verbundfolien
nicht oder nur begrenzt halt- und nutzbar und mechanisch insbesondere bei einer mechanischen
Befestigung leicht zerstörbar oder zu beschädigen. Entsprechende VIP-Verbünde aus
mindestens zwei individuellen VIP mit einer Ummantelung aus einer handelsüblichen
kunststoffhaltigen Verbundfolie bedürfen deshalb zusätzlichen Schutz der Vakuum-dichten
Ummantelungdurch eine Abdeckung der Metallfolie aus einer (eg. Plexi)Glasplatte(nkonstruktion)
oder durch einen konstruktiven Schutz durch andere transparente Werkstoffe, die koplanar
zur VIP-Außenseite angebracht sind. Ein solcher Schutz ist häufig durch die Anwendung
vorgegeben, wenn zum Beispiel die entsprechenden VIP(-Verbünde) für Gebäudeisolierung
einschließlich entsprechender Dächer eingesetzt werden soll.
[0148] Als Werkstoff wird mindestens an einem Rand der Ummantelung des Vakuum-Innenraumes
mit einem Füllstoffkern eg. aus einer Pulverplatte aus pyrogener Kieselsäure, aus
Aerogel oder einem anderen VIP-Kernfüllstoff erfindungsgemäß Edelstahlfolie verwandt,
worin die Edelstahlfolie eine Dicke im Bereich von 5 µm bis 200 µm aufweist, und die
Edelstahlfolie bei Wandstärken < 15 µm in einer Verbundfolie mit O-Nylon (Wandstärke
15 µm), Trockenlaminierung ("dry lamination"), einen VM PET-Film (Wandstärke 12 µm),
und mindestens eine erneute Trockenlaminierung und einem HDPE-Film mit einer Wandstärke
von 50 µm enthalten ist, sodaß Anwendungen mit geringer Lastaufnahme oder einer solchen
Lastaufbahme durch eine VIP und den entsprechenden Verbund möglich sind, bei denen
die Belastung im Kernbereich unkritisch ist. Mit einer Vielzahl N
V von Vakuumisolationspaneelen wird ein VIP-Verbund derart hergestellt, daß über den
Füllstoffkern hinausreichende Folienüberlappungen der Breite x, worin 0,2 x < 20 cm,
übereinandergelegt und gefügt, verbunden oder versiegelt werden, darunter durch Verwendung
eines Schweißverfahrens wie das Rollenschweißen und/oder einer Verschraubung. Aufgrund
des ausreichend steifen und festen VIP-Folienwerkstoffes Edelstahl wird so eine kostengünstige
Isolierwand(ung) geschaffen, die für großflächige Bedachungen von Häusern aller Art
eingesetzt wird. Besonders vorteilhaft ist dabei die gleichzeitige Verschraubung einzelner
VIP untereinander und mit der Bedachung selbst mit einer einzigen Verschraubung pro
Bohrung durch die Überlappung, weil auf diese Weise ein unsachgemäßer Transport größerer
VIP-Verbünde umgangen werden kann. Andererseits soll nicht verkannt werden, daß die
Stahlfolie eine hohe Schadenstoleranz gegen penetrierende Stoßbeschädigung besitzt.
Ausführung 18: Mehrfaches in-vacuo Fügen einer VIP in einer Fertigungskette
[0149] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Reduzierung des Pumpleistungsaufwandes
pro Produktionseinheit durch ein in-vacuo Fügen einer Anzahl N einer VIP zwischen
Evakuieren und Re-Komprimieren einer Vakuumkammer über die Installierung des Durchlaufens
der Anzahl N durch eine Fertigungskette zu erzielen, um den VIP/Vakuumbehälter-Grundriß-Wirkungsgrad
("coverage") zu erhöhen.
[0150] Die Lösung der Aufgabe wird durch eine Automatisierung im Vakuum stattfindender und
extern angesteuerter automatisierter Schweißvorgänge erzielt, wobei eine Rollenschweiß-
oder Laserapparatur an der Stirnnaht mit einer Reziprokbewegung entlang fährt und
anschließend die so in-vacuo verschweißte VIP durch eine neue noch offene VIP ersetzt
und der in-vacuo Fügeschritt wiederholt wird. Es wird auf
Bild 8 und Ansprüche 7 und 8 sowie auf die kontinuierliche Nachlieferung einer VIP in den
in-vacuo Fügebereich in Ausführung 3 hingewiesen.
[0151] Ohne kontinuierliche Nachlieferung kann der Wirkungsgrad der Nutzflächenverwertung
einer Vakuumkammer, der abhängig ist vom Verhältnis der Produktfläche zur Vakuumkammer-Grundfläche,
einen Wert von 1.0 nicht nur nicht überschreiten, sondern auch nicht erreichen, da
dieser Wirkungsgrad selbst bei einem einmaligen Fertigen einer individuellen VIP Platz
durch den notwendige Platz an den Rändern der VIP für ihre Handhabung wie Einlegen
und Entfernen reduziert wird.
[0152] Erfindungsgemäß werden signifikante Steigerung des vorbezeichneten Wirkungsgrades
dadurch erzielt, daß Stapel einer oder verschiedener VIP vor und nach dem in-vacuo
Fügeschriftbeidseitig vom in-vacuo Fügebereich anti-synchron in ein und demselben
Vakuum abgebaut und wieder aufgebaut werden, wie in
Bild 8 schematisch dargestellt ist. Zwar bedeutet die zusätzliche Aufnahme eines Zufuhr-
und eines Lagerbereiches in derselben Vakuumkammer für das einmalige Fügen einer VIP
eine Reduzierung von Werten des Wirkungsgrades im Bereich von 0,9 auf Werte im Bereich
von 0,2 oder weniger (0,9 / 3 minus Übergangsbereiche für lateralen Transport). Jedoch
kann das in-vacuo Abarbeiten eines in-vacuo Stapels von eg. 30 VIPs gleicher Abmessungen
den Wirkungsgrad auf eg. 0,15 x 30 = 4,5 erhöhen.
[0153] Wenn 2 Paletten mit einer Charge von jeweils 30 VIPs abgearbeitet werden, erniedrigt
sich der Wirkungsgrad pro individueller VIP für die notwendige Fläche für die zusätzlichen
Paltten auf unter 0,2, jedoch erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad auf eg. 0,12 x 60
= 7,2. Je mehr Chargen hintereinander abgearbeitet werden können, ohne daß die Atmosphäre
der Vakuumkammer zwischenzeitlich neu geflutet und wieder evakuiert werden muß, je
größer ist der vorbezeichnete Wirkungsgrad effektiv.
Ausführung 19: Alternatives in-vacuo Fügen von Keramik an eine Folie einer VIP-Ummantelung
[0154] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vielzahl von nicht-benetzenden Standard
Loten für das in-vacuo Fügen von VIP-Folien auf Keramik-Rahmen und Keramik-Verstärkungen
zu operationalisieren.
[0155] Die Lösung der Aufgabe wurd durch den Einsatz folgender in-vacuo Fügeverfahren erzielt:
Zweistufiges In-vacuo Lötverfahren:
mit einer Metallschicht "metallisierte" Keramik wird anschließend mit Hilfe eines
Lotes auf Metall fixiert. Zweistufige Methode unter Einsatz relativ hoher Temperaturen.
Es wird ein Vakuumofen und eine vakuumtaugliche Auftragmaschine für ein Pastensystem
oder eine Kathodenzerstäuber-Anlage (Magnetron-Sputtern) für Reinigen (eg. von SiO2 auf SiC) und Abscheiden einer relativ dünnen Schicht oder für ein chemisch-reduktives
katalytisches Abscheiden einer dünnen Schicht eingesetzt oder eine thermische Aufdampfung
einer Schicht.
Metallisierungsbeispiele und Ergebnisse:
- Verbund aus Metallfolie und Al2O3-Rahmen durch Einsatz einer Mn/Mo-Paste für Verbindungsnähte unter Bildung von MnAl2O4 mit Zugfestigkeiten σz im Bereich von 70 MPa.
- der Einsatz von sauerstoffaffinen Elemente wie Ti (oder Zr) auf Al2O3 führt zur Reduktion von Al2O3 unter Bildung von TiOX.
- Verbund aus Metallfolie und Si3N4-Rahmen oder -Verstärkung über Wolframschicht und gemeinsamer Sinterung bei 1750°C.
- Verbund aus Metallfolie und SiC-Rahmen oder -Verstärkung über Wolframschicht und gemeinsamer
Sinterung bei 1750°C.
In-vacuo-Diffusionsschweißen:
Dieses Verfahren wird für geometrisch einfache Teile hoher Oberflächenqualität beim
0,8 bis 0,9 fachen des entsprechenden Schmelzpunktes TS der niedrigstschmelzenden Komponente eingesetzt.
Es werden eine vakuumtaugliche Diffusionsschweißanlage und ggfs. Zwischenschichten
(eg. hochenergetisch wie amorphe Metallfolie) zwecks Festkörper-In-Diffusion der zu
fügenden Werkstoffe zur Bildung einer Mischphase mit ausreichender Löslichkeit entsprechender
chemischer Komponenten (Elemente) eingesetzt.
Beispiele:
- Stahlfolie mit Rahmen oder Verstärkung aus Si3N4, TiN, Al2O3 bei 1400°C und Preßdruck 100 - 150 MPa über 30 min unter Vakuum.
- Al, Cu und Ni-Folien mit Rahmen oder Verstärkung aus Al2O3 bei 630°C und Preßdruck 50 MPa über 30 min unter Vakuum.
- Nb-Folie mit Rahmen oder Verstärkung aus Si3N4 bei 1600°C und Preßdruck 0,65 MPa über 120 min unter Vakuum.
- Pt, Rh-Folie mit Rahmen oder Verstärkung aus ZrO2 (oder Al2O3) bei 1650°C und Preßdruck 90 MPa über 20 min unter Vakuum.
Ergebnis:
Verbindungsnähte mit Biegebruchfestigkeiten σ
bB im Bereich von 50 - 365 MPa.
In-vacuo-Heißpressen für einen Reaktionsverbund:
Dieses Verfahren wird für für geometrisch einfache Teile hoher Oberflächenqualität
bei 0,8 bis 0,9fachem des entsprechenden Schmelzpunktes TS der niedrigstschmelzenden Komponente und hohem Druck eingesetzt. Betriebsdauer: im
Bereich von 30 min.
Es werden eine vakuumtaugliche Heißpresse oder HIP und (Schlicker-)Zwischenschichten
(eg. Al2O3, ZrO2, MgO-Y2O3, MgO-Si3N4, Si3N4-Y2O3, Si3N4-Al2O3, karbidbildene Metalle und Legierung wie Alund Ti-Basis) zwecks Festkörper-In-Diffusion
der zu fügenden Werkstoffe zur Bildung einer Mischphase mit ausreichender Löslichkeit
entsprechender chemischer Komponenten (Elemente) eingesetzt.
Beispiele:
- Metallfolien und Rahmen oder Verstärkungen aus Si3N4, AIN, SiC, TiC, ZrB2, Oxide.
Zusammenfassung
[0156] Kostengünstigere Vakuumproduktion bei höherer Produktsicherheit und erhöhtem Potential
entsprechender Produktinnovationen, darunter den Anwendungsfällen für VIP bei Raumtemperatur
durch höhere Festigkeit und Struktur-dimensionale Steifigkeit wie auch bei wesentlich
höheren Temperaturen und Tieftemperaturanwendungen sowie komplexe und Sonderanwendungen
einschließlich solcher in chemischen (säurehaltigen) wie auch physikalischen (cf.
Weltraumanwendungen mit Goldbeschichtungen und/oder Berylliumfolien) Problembereichen.
Dabei liegt dem erhöhten Potential entsprechender Produktinnovationen eine verfahrenstechnisch
abgesicherte Verbreiterung der angewandten Folienwerkstoffe wie Stahl, Tantal sowie
weiterer schadenstoleranter und chemisch widerstandsfähiger, aber auch besonders leichter
Werkstoffe gegenüber den Verbundfolien gemäß Stand der Technik zu Grunde, deren begrenzte
Vakuumtauglichkeit auch die Ursache für die beschränkte Lebensdauer und Zuverlässigkeit
der heutigen VIP gemäß Stand der Technik ist. Der Erfindung liegt die konsequente
Weiterentwicklung des bereits begonnenen Einzugs von eg. Aluminium als Gasbarriere
und/oder Verstärkung in Verbundfolien unter Berücksichtigung der vakuumverfahrenstechnischen
Anforderungen an ihre wirtschaftliche Herstellung zugrunde.
[0157] Die vorliegende Erfindung enthält neuartige Herstellverfahren für auf neuen Materialien
basierende Vakuumisolationspaneelen (VIP). Ausgeweitete Materialauswahl und reduzierter
Aufwand für die Herstellung des Vakuums zur Fertigung von VIP erweitern den wirtschaftlichen
Einsatz und den Nutzen der Vorteile von Vakuumisolationspaneelen. Hierbei ist insbesondere
der erweiterte Einsatz von vielen neuen Verbindungstechniken und entsprechend neu
anwendbaren VIP-Folienmaterialien zu nennen, aber auch die automatisierten Herstellmethoden
sowie ihre Integration in eine vakuumeffiziente Fertigungskette, die mit der notwendigen
Evakuierung des von den VIP-Folienmaterialien eingeschlossenen Vakuum-Innenraums zur
Aufnahme eines Füllkörpers, dem sogenannten VIP-"Kern", je nach Anwendungsund Kostenzweck
verbunden sind. Mit dem neuen Herstellverfahren sowie mit den neuen VIP werden ganz
neue Anwendungsgattungen für VIP geschaffen, darunter lastaufnehmende, schadenstolerante,
säure- und hitzebeständige sowie gesundheitsschützende und entsprechend großtechnische
VIP-Anwendungen. Die Konstanz der plastischen Verformung oder Stauchung oder Geschwindigkeit
der in-vacuo Relativbewegung für Energiezufuhr und resultierender Verbindungsbildung
gewährleistet dabei das Unterdruckgleichgewicht zwischen in-vacuo Fügebereich und
dem definierten Vakuum, worin das Unterdruckgleichgewicht ein Gütesiegel insbesondere
für solche in-vacuo Strukturen ist, die das Vakuum als kritischen Produkt-Bestandteil
in der entsprechenden Struktur enthalten, sei es direkt als eine darin enthaltene
Atmosphäre oder indirekt in der Qualität der in-vacuo Fügestelle, i.e. der in-vacuo
erzielten in-vacuo Verbindung.
1. Verfahren zur Herstellung eines Produktes durch "getter"-Material-freies Fügen eines Vorproduktes
unter Vakuum,
worin das Verfahren so zu operieren ausgelegt ist, daß
a) in einer Vakuumkammer eine ganzheitliche Aussetzung mindestens eines Exemplares
mindestens eines Vorproduktes an ein definiertes Vakuum, und
b) in einem in-vacuo Fügebereich der Vakuumkammer eine Bildung einer aus der aus einer
Aufschmelz-und-Erstarrungs-Schweißnaht, einer Festkörper-Schweißnaht, einer Hart-Lötnaht,
einer Weich-Lötnaht oder einer anorganischen Klebstoffverbindung bestehenden Gruppe
ausgesuchten in-vacuo Verbindung mit einem Durchmesser oder einem Querschnitt oder
mindestens einer Längendimension mit einem Wert ≥ 15 µm enthalten ist,
worin
c) der in-vacuo Fügebereich ein Unterdruck-Gleichgewicht mit dem definierten Vakuum
und das definierte Vakuum einen Hintergrund der Vakuumkammer enthält, worin das Unterdruck-Gleichgewicht
ein lokal an einer Kühlfalle vorgenommenes Kondensieren von mindestens einem aus der
in-vacuo Verbindung ausdampfenden oder ausgasenden Stoff und der Hintergrund einen
kontrollierten Hintergrunds-Druckwert pH enthält,
und
d) die Bildung der in-vacuo Verbindung eine in-vacuo Relativbewegung des mindestens
einen Exemplars und einer vakuumtauglichen Fügeapparatur zueinander für eine Zusatzstoff-freie
Energiezufuhr und für eine resultierende Verbindungsbildung enthält,
worin
e) die Zusatzstoff-freie Energiezufuhr eine durch elektrischen Strom, Widerstandsheizen,
Druck, Induktion, Elektronenstrahl, Laserlicht, Verformungsenergie, Ultra-Schall oder
Pressoder Schmiedekraft zugeführte Energieform
und die resultierende Verbindungsbildung
f1) eine plastische Verformung oder Stauchung des mindestens einen Exemplars enthält,
worin die plastische Verformung oder Stauchung einen konstanten Verformungs- oder
Stauchungs-Vektor enthält, worin der konstante Verformungs- oder Stauchungs-Vektor
in mindestens einem senkrechten Winkel im Raum zu der in-vacuo Verbindung steht, worin
der mindestens eine senkrechte Winkel im Raum ein Azimuth- oder ein Polarwinkel ist,
oder
f2) eine Vorschubgeschwindigkeit des mindestens einen Exemplares relativ zu der vakuumtauglichen
Fügeapparatur enthält, worin die Vorschubgeschwindigkeit einen konstanten Vorschubgeschwindigkeits-Vektor
enthält, worin der konstante Vorschubgeschwindigkeits-Vektor in einer die in-vacuo
Verbindung enthaltenen Ebene im Raum liegt
oder
f3) eine aus der Verformung oder Stauchung nach f1) und der Vorschubgeschwindigkeit
nach f2) kombinierte Verbindungsbildung
enthält, worin der Wert ≥ 15 µm und die Kühlfalle und der konstante Verformungsoder
Stauchungs-Vektor im Raum oder der konstante Vorschubgeschwindigkeits-Vektor im Raum
ein "getter"-Material ersetzt.
2. Das Verfahren nach Anspruch 1, worin die plastische Verformung oder Stauchung ein
oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. eine Leck-freie Kraftübertragung von einem elektromechanischen oder pneumatischen
oder hydraulischen Antrieb außerhalb der Vakuumkammer auf das mindestens eine Exemplar
in der Vakuumkammer über ein Gestänge durch ein mehrfach durch eine Kolbenstangendichtung
abgedichtetes Differentialvakuumkammervolumen einer Vakuumkammerwand hindurch, worin
das Gestänge eine durch die Vakuumkammerwand hindurch auf das mindestens eine Exemplar
mit einer auf und ab beweglichen Preßbacke und einem Preßbolzen übertragenen Presskraft
enthält, worin das mindestens eine Exemplar einen durch die übertragene Presskraft
erzeugten Pressdruck für die plastische Verformung oder Stauchung enthält, worin das
mehrfach abgedichtete Differentialvakuumkammervolumen durch ein von dem Hintergrundsvakuumdruck
unabhängiges Zwischen-Evakuieren ein Druckverhältnis mit einer Umgebungsatmosphärendruck
von ≥ 10-3:1 und ein Druckverhältnis mit dem Hintergrunds-Druckwert von 1 : pH mit pH < 1 enthält.
B. ein Falten-freies Aneinanderpressen von mindestens zwei pin-hole-freien Folien
vor und während der Bildung der in-vacuo Verbindung mit einer Verform- und Anpressvorrichtung,
worin die Verform- und Anpresseinrichtung eine oder mehrere auf und ab bewegliche
Preßbacke und einen oder mehrere Preßbolzen enthält, worin die Preßbacke und der Preßbolzen
jeweils mindestens eine zueinander planparallele Preßfläche für das Falten-freie Aneinanderpressen
der mindestens zwei pin-hole-freien Folien enthalten, worin die mindestens zwei pin-hole-freien
Folien vor der Bildung der in-vacuo Verbindung einen maximalen Zwischenspalt von 5%
einer Folienstärke einer der mindestens zwei pin-hole-freien Folien oder eine Zwischenspalt-Freiheit
enthalten, worin das Falten-freie Aneinanderpressen einen Pressdruck mit einem Wert
im Bereich von ≥ 0,1 N/mm
2 enthält, worin der Pressdruck eine konstante Verformungs- oder Stauchungskraft enthält,
worin die konstante Verformungsoder Stauchungskraft eine homogene Auflösung eines
verbundenen Gefäßdruckes einer pneumatischen oder hydraulischen Antriebseinheit auf
der planparallelen Preßfläche enthält.
3. Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Verfahren ein oder mehrere der folgenden
Kennzeichen enthält:
A. eine laminare Evakuierungsströmung oder eine molekulare Evakuierungsströmung oder
eine Knudsen-Evakuierungsströmung in einer nichtverschweißten Öffnung einer offenen
Vakuumisolationspaneele während eines in-vacuo Evakuierens innerhalb der ganzheitlichen
Aussetzung einer offenen Vakuumisolationspaneele, worin die offene Vakuumisolationspaneele
eine verschweißte Umrandung um eine tiefgezogene flache Schale aus einer pin-hole-freien
Unter- und/oder einer pin-hole-freien Oberfolie enthält, worin die verschweißte Umrandung
eine runde Form oder zwei oder mehrere gerade Seiten und die tiefgezogene flache Schale
einen porösen Füllwerkstoff und die nichtverschweißte Öffnung einen durch eine Formgebung
und eine Foliensteifigkeit erzielten stabilen Abstand zwischen der pin-hole-freien
Unter- und der pin-hole-freien Oberfolie während des in-vacuo Evakuierens enthält,
worin die Formgebung eine Außenkante mit einer Bogenlänge der Oberfolie, 1B2, entlang der Verbindungslinie der in-vacuo Verbindung und die Unterfolie eine Bogenlänge
der Unterfolie, 1B1, entlang der Verbindungslinie der in-vacuo Verbindung enthält, worin die offene
Vakuumisolationspaneele bei der laminaren Evakuierungsströmung einen Grobvakuumsdruck
und bei der molekularen Evakuierungsströmung einen Hochvakuumsdruck und bei der Knudsen-Evakuierungsströmung
einen Feinvakuumsdruck in der tiefgezogenen flachen Schale enthält.
B. ein mit einer oder mehreren auf und ab beweglichen Preßbacken und mit einem oder
mehreren Preßbolzen erzieltes Falten-freies Aneinanderpressen einer pin-hole-freien
Unter- und einer pin-hole-freien Oberfolie einer nichtverschweißten Öffnung einer
vor der Bildung der in-vacuo Verbindung evakuierten runden und/oder drei-, vier- oder
mehrseitigen Vakuumisolationspaneele, worin die nichtverschweißte Öffnung eine durch
das Falten-freie Aneinanderpressen der pin-hole-freien Unter- und der pin-hole-freien
Oberfolie erhaltene gestreckte Form enthält, worin die gestreckte Form eine verschweißte
Umrandung um einen Füllwerkstoff mit dem definierten Vakuum verbindet und eine Folien-Lasche
oder einen Folien-Flansch enthält, worin die Folien-Lasche oder der Folien-Flansch
eine Verformbarkeit und eine Abtrennbarkeit enthält, worin die gestreckte Form eine
identische Folienlänge der pin-hole-freien Unter- und der pin-hole-freien Oberfolie
entlang der nichtverschweißten Öffnung enthält, worin die identischen Folienlänge
einen Zwischenspalt mit einer Breite von maximal 5% einer Folienstärke der pin-hole-freien
Unter- und/oder der pin-hole-freien Oberfolie oder eine Zwischenspalt-Freiheit enthält.
4. Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, worin die Vorschubgeschwindigkeit
ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. ein Brechungs-armes und Reflektions-freies Einkoppeln eines Laserstrahls aus einer
Atmosphäre einer Umgebung der Vakuumkammer in die Vakuumkammeratmosphäre hinein für
die Bildung der aus der Aufschmelz-und-Erstarrungs-Schweißnaht bestehenden in-vacuo
Verbindung, worin der Laserstrahl ein Durchstrahlen eines licht-transparenten vakuumtauglichen
Einkoppelfensters enthält, worin das Einkoppelfenster eine vakuumdichte und formstabile
und gasdichte Einfassung und eine planparallele Auf-lage auf der Vakuumkammer und
eine Fertigungstoleranz im µm-Bereich und einen gegenüber ein Druckdifferential zwischen
der Atmosphäre der Umgebung und der Vakuumkammeratmosphäre form- und dimensions-stabilen
Querschnitt und eine Parallelität einer Einlaßgrenzfläche und einer Ausgangsgrenzfläche
für den Laserstrahl und eine minimierte Reflektivität enthält, worin das Einkoppelfenster
ein brechungsarmes Glasmaterial und das Brechungs-arme und Reflektions-freie Einkoppeln
eine dimensionsstabile Brennweite enthält, worin die dimensionsstabile Brennweite
ein hochpräzises Einkoppeln des Laserstrahls enthält, worin das hochpräzise Einkoppeln
des Laserstrahls einen Einstrahlwinkel des Laserstrahls auf das Einkoppelfenster von
90° oder eine Breitband-Multilayer-Antireflexbeschichtung und ein in-vacuo Schweißen
oder ein in-vacuo Schweißen-und-Schneiden enthält.
B. ein in-vacuo Verschweißen von mindestens zwei pin-hole-freien und planparallel
aneinandergepressten Folien mit einem Laserstrahl, worin der Laserstrahl eine kontrollierte
Länge eines Abstandes zwischen seinem Austritt aus einer Laser-Fokussierung eines
Lasers und einem Laserspot auf den mindestens zwei pin-hole-freien und planparallel
aneinandergepressten Folien für die Bildung der in-vacuo Verbindung durch eine Auflagerung
des Lasers und der Laser-Fokussierung und einer Laser-Linear-Führungseinheit auf einer
inkompressiblen Vakuumkammerwand enthält, worin die kontrollierte Länge unabhängig
von einer durch ein Druckdifferential verursachten Vakuumkammerwandbewegung ist und
der Laser einen Hochleistungsdiodenlaser oder einen gepulsten oder einen kontinuierlichen
ND:YAG-Laser enthält, worin der Hochleistungsdiodenlaser oder der gepulste oder der
kontinuierliche ND:YAG-Laser außen an einer Außenwand des licht-transparenten Einkoppelfensters
der Vakuumkammer vorbeifährt und die Vorschubgeschwindigkeit und den konstanten Vorschubgeschwindigkeits-Vektor
und eine Laserprozeßkontrolle enthält, worin die Laserprozeßkontrolle eine Vorschubgeschwindigkeits-Vektor-Kontrolle
und eine Laserleistungskontrolle enthält, worin die Vorschubgeschwindigkeits-Vektor-Kontrolle
einen Laser-Linear-Antrieb und die Auflagerung auf der inkompressiblen Vakuumkammerwand
enthält, worin die Laser-Linear-Führungseinheit eine Regelung einer Laserleistung
bezogen auf einen durch den Laser-Linear-Antrieb erzeugten Betrag des konstanten Vorschubgeschwindigkeits-Vektor
enthält, worin die Laserleistung eine Konstanz bezogen auf einen konstanten Betrag
des konstanten Vorschubgeschwindigkeits-Vektors enthält.
5. Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, worin das Verfahren
ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. ein leckfreies in-vacuo Verschweißen von mindestens zwei pin-hole-freien und planparallel
aneinandergepressten Folien einer nichtverschweißten Öffnung einer evakuierten Vakuumisolationspaneele
mit einem Laserstrahl, worin der Laserstrahl eine kontrollierte Länge eines Abstandes
zwischen seinem Austritt aus einer Laser-Fokussierung eines Lasers und einem Laserspot
für die Bildung der in-vacuo Verbindung der evakuierten Vakuumisolationspaneele enthält,
worin der Laser außen an einer Außenwand eines licht-transparenten Einkoppelfensters
der Vakuumkammer vorbeifährt und die Vorschubgeschwindigkeit und den konstanten Vorschubgeschwindigkeits-Vektor
und eine konstante Laserleistung und eine vollautomatische Laserprozeßkontrolle enthält,
worin die vollautomatische Laserprozeßkontrolle eine Vorschubgeschwindigkeits-Vektor-Kontrolle
durch eine Auflagerung einer Laser-Linear-Führungseinheit auf einer inkompressiblen
Vakuumkammerwand und eine Laserleistungskontrolle durch eine Regelung einer Laserleistung
bezogen auf einen konstanten Betrag des konstanten Vorschubgeschwindigkeits-Vektors
und eine Laserabstandskontrolle der kontrollierten Länge des Abstandes mit der Laser-Fokussierung
enthält, worin die Laserabstandskontrolle eine Längenkonstanz der kontrollierten Länge
des Abstandes enthält, worin die vollautomatische Laserprozeßkontrolle eine Toleranz
einer Abstandsabweichung von der Längenkonstanz enthält, worin die Toleranz einen
maximalen Abstandsabweichungwert von ± 0.5 mm enthält, worin die Toleranz eine Unabhängigkeit
von einer Vakuumkammerwandbewegung und einem in-vacuo Abstand zwischen dem licht-transparenten
Einkoppelfenster in einer Vakuumkammerwand und dem Laserspot und eine Bildung eines
homogenen und reproduzierbaren Laser-Schweißnahtgefüges der in-vacuo Verbindung aus
einem Gasdiffusions-freiem Material enthält.
B. ein kombiniertes leckfreies in-vacuo Schweißen-und-Schneiden von mindestens zwei
pin-hole-freien und planparallel aneinandergepressten oder einen Vakuuminnenraum abschließenden
Folien einer nichtverschweißten Öffnung einer evakuierten Vakuumisolationspaneele
mit einem Laserstrahl, worin der Laserstrahl eine kontrollierte Länge eines Abstandes
zwischen seinem Austritt aus einer Laser-Fokussierung eines Lasers und einem Laserspot
für die Bildung der in-vacuo Verbindung auf der evakuierten Vakuumisolationspaneele
enthält, worin das leckfreie kombinierte in-vacuo Schweißen-und-Schneiden ein mit
dem Laserstrahl lokal ausgeführtes kontinuierliches Laser-Aufschmelzen der mindestens
zwei pin-hole-freien und planparallel aneinandergepressten Folien und ein Erstarren
zu einer in-vacuo Schweißnaht und ein anschließendes und parallel zu der in-vacuo
Schweißnaht angeordnetes in-vacuo Schneiden von mindestens zwei pin-hole-freien und
einen Vakuuminnenraum abschließenden Folien durch Verschwenken einer Optik der Laser-Fokussierung
zu einem Trennahtbildungs-Laserspot und Aufschmelzen der mindestens zwei pin-hole-freien
und planparallel aneinandergepressten Folien ohne Erstarren enthält, worin das in--vacuo
Schneiden ein in-vacuo Abtropfen von einem aufgeschmolzenen Folienmaterial in eine
Auffangvorrichtung und ein bezogen auf die in-vacuo Schweißnaht beidseitiges Einfangen
des mindestens einen aus der in-vacuo Verbindung ausdampfenden oder ausgasenden Stoffes
mit zwei linearen Schmiede-Klemmen und eine Trennahtbildung enthält, worin die zwei
linearen Schmiede-Klemmen eine Form eines statischen Balkens zum Spannen der mindestens
zwei pin-hole-freien und den Vakuuminnenraum abschließenden Folien und ein durch sie
hindurchfließendes Kühlmittel enthalten, worin die Laser-Linear-Führungseinheit eine
Regelung einer Laserleistung bezogen auf einen Betrag des konstanten Vorschubgeschwindigkeits-Vektors
v und bezogen auf eine notwendige Energie E1 für das lokal ausgeführte kontinuierliche
Laser-Aufschmelzen und bezogen auf eine Energie E2 für die Trennahtbildung enthält,
worin vorzugsweise E2 > E1 für v1 = v2 oder E2 = E1 für v2 > v1, worin v2 = ein konstanter
Geschwindigkeitsvektor für das in-vacuo Schneiden und v1 = ein konstanter Geschwindigkeitsvektor
für das in-vacuo Schweißen.
6. Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, worin das Verfahren
ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. ein laschen- und leckfreies in-vacuo Schweißen-und-Schneiden von mindestens zwei
pin-hole-freien und planparallel aneinandergepressten oder einen Vakuuminnenraum abschließenden
Folien einer nichtverschweißten Öffnung einer evakuierten Vakuumisolationspaneele
mit einem Laserstrahl, worin der Laserstrahl eine kontrollierte Länge eines Abstandes
zwischen seinem Austritt aus einer Laser-Fokussierung eines Lasers und einem Laserspot
für die Bildung der in-vacuo Verbindung auf der evakuierten Vakuumisolationspaneele
enthält, worin das an das in-vacuo Schweißen anschließende und parallel zu der in-vacuo
Schweißnaht angeordnete in-vacuo Schneiden ein Abtrennen der Folien-Lasche oder des
Folien-Flansches von der in-vacuo Schweißnaht und von der verschweißten Umrandung
durch ein in-vacuo Aufschmelzen ohne Erstarren der mindestens zwei pin-hole-freien
und den planparallel aneinandergepressten Folien enthält, worin das Abtrennen eine
Bildung einer Verlängerung der verschweißten Umrandung um die tiefgezogene flache
Schale mit dem Füllwerkstoff mit dem definierten Vakuum in dem Vakuuminnenraum durch
die in-vacuo Verbindung enthält, worin die verschweißte Umrandung und die Verlängerung
einen Laschen-freien Außenbereich enthalten, worin der Laschen-freie Außenbereich
der in-vacuo Verbindung eine in-vacuo Trennaht und eine Außenbereichsbreite x' zwischen
der in-vacuo Verbindung und der in-vacuo Trennaht enthält, worin die Außenbereichsbreite
x' eine lineare Zentrierung in einem Zwischenbereich von zwei linearen Schmiede-Klemmen
und eine Parallelität und einen konstanten Abstand der in-vacuo Schweißnaht von der
in-vacuo Trennaht enthält, worin der konstante Abstand vorzugsweise einen maximalen
Wert von zwei Wandstärken oder Wanddicken von einer der zwei pin-hole-freien und den
Vakuuminnenraum abschließenden Folien enthält.
B. ein verspannungsfreies in-vacuo Folienfügen einer evakuierten und leckfreien Vakuumisolationspaneele
mit einem Laserstrahl, worin das verspannungsfreies in-vacuo Folienfügen ein reproduzierbares
in-vacuo Schweißen-und-Schneiden von mindestens zwei pin-hole-freien und planparallel
aneinandergepressten oder einen Vakuuminnenraum abschließenden Folien einer nichtverschweißten
Öffnung der evakuierten Vakuumisolationspaneele und einen reproduzierbaren Arbeitsschritt
innerhalb der Spannvorrichtung und/oder eine kalt-verformungsfreie Sekundär-Bearbeitung
außerhalb einer Vakuumisolationspaneele-Spannvorrichtung enthält, worin die evakuierte
Vakuumisolationspaneele eine mit dem in-vacuo Folienfügen erzielte Laschen-Freiheit
mit oder ohne Außenbereichsbreite x' > 0 und eine Kaltverformungs-freie in-vacuo Schweißnaht
und eine Kaltverformungs-freie in-vacuo Trennaht und mindestens eine Kaltverformungs-freie
Kante enthält, worin die Kaltverformungs-freie in-vacuo Schweißnaht oder die Kaltverformungs-freie
in-vacuo Trennaht oder die mindestens eine Kaltverformungs-freie Kante einen duktilen
Werkstoff enthält.
7. Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, worin der kontrollierte
Hintergrunds-Druckwert einen konstanten Unterdruck durch eine Unterdruck-Kontrolle
mit einem oder mehreren der folgenden Kennzeichen enthält:
A. eine Pumpgeschwindigkeit eines Vakuumpumpenstandes und eine durch einen Ausgasungskennwert
definierte Vakuumkammerinnenwandungsfläche und durch mindestens eine durch einen Ausgasungskennwert
definierte Ausgasungsoberfläche von mindestens einer vakuumtauglichen Fügeapparatur.
B. einen Ausschluß von einem Kunststoff oder Polymer und von einem hohen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis
in einer Konstruktion der in-vacuo Fügeapparatur.
C. ein aus der aus einem Grobvakuum, einem Feinvakuum, einem Hochvakuum und einem
Ultrahochvakuum bestehenden Gruppe ausgesuchtes Vakuumkammervakuum, worin das Vakuumkammervakuum
einen Unterdruck mit einem konstanten Wert in einem Bereich von 10-12 bis 0.95 bar gegenüber einer die Vakuumkammer umgebenden Normalatmosphäre enthält.
D. ein kontrollierter Einlaß von einem Schutzgas, reaktiven Gas, reduzierendem Gas
oder Spülgas in die Vakuumkammer.
8. Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, worin der in-vacuo Fügebereich
ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. eine Ausgasungskontrolle durch eine Temperaturkontrolle der in-vacuo Verbindung,
worin die Temperaturkontrolle eine unabhängige Kühlung der in-vacuo Verbindung enthält.
B. eine Kontrolle der Kühlfalle durch eine Kühlflüssigkeit.
C. eine atmosphärische Kontrolle durch eine in-vacuo Vorbehandlung des mindestens
einen Vorproduktes, worin die in-vacuo Vorbehandlung aus der aus einer Ausheizung,
einem Polieren oder einem Absputtern einer Oxidschicht einer Oberfläche des mindestens
einen Exemplars bestehenden Gruppe ausgesucht wird.
D. eine atmosphärische Kontrolle durch Einsatz eines kunstoffreien Vorproduktes oder
einer kunstoffreien und "pin-hole"-freien Metallfolie oder eines kunststoffreien in-vacuo
Fügeverfahrens oder eines metallischen Vorproduktes oder eines keramischen Vorproduktes.
E. Ausschluß von Gasentladungen durch eine Anwendung einer Betriebsspannung mit einem
Wert < 49 V bei einem Betriebsdruck mit einem Wert im Bereich von 10-3 bis 10-1 mbar.
9. Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, worin die in-vacuo Verbindung
ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. eine aus der aus Reibschweißnaht, Rollnaht-Schweißnaht, Laser-Strahl-Schweißnaht,
"Hochfrequenz"-Widerstandsschweißnaht, Elektronenstrahl-Schweißnaht, Widerstands-Punkt-Schweißnaht,
Direkt-Druck- oder J-Typ Maschineschweißnaht, Aufschmelz-und-Erstarrungs-Projektions-Schweißnaht
und "Blitz"-Schweißnaht bestehenden Gruppe ausgesuchte metallische Aufschmelz-und-Erstarrungs-Schweißnaht.
B. eine aus der aus Walzschweißnaht, Reibschweißnaht, Reibrührschweißnaht, Kontinuierliche
Schmiede-Schweißnaht, Kontinuierliche Ultraschall-Schweißnaht; Festkörper-Projektions-Schweißnaht
und Schmiede-Schweißnaht bestehenden Gruppe ausgesuchte metallische Festkörper-Schweißnaht.
C. eine metallische in-vacuo Versiegelung einer vakuumdichten metallischen Ummantelung
eines aus der aus vakuumdichten Behälter, vakuumdichter Tasche, vakuumdichter Tüte,
vakuumdichter Verpackung und vakuumdichter Vakuumisolationspaneele bestehenden Gruppe
ausgesuchten vakuumdichten Behältnisses für eine Anwendung unter Normalbedingungen.
10. Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, worin die in-vacuo Verbindungsstelle
ein oder mehrere der folgenden der folgenden Kennzeichen enthält:
A. eine aus der aus Ofen-Hart-Lötnaht, Heiß-Pressnaht, Einstufig (Direkt) hergestellte
Widerstands-Hart-Lötnaht und Zweistufig (Indirekt) hergestellte Reaktionsverbund-Lötnaht
bestehenden Gruppe ausgesuchte Metall-Keramik-Lötnaht.
B. eine aus der aus Laser-Weich-Lötnaht und Einstufig (Direkt) hergestellte Widerstands-Weich-Lötnaht
bestehenden Gruppe ausgesuchte Metall-Keramik-Lötnaht.
C. eine Laser-Schweißnaht, Elektronenstrahl-Schweißnaht, Diffusions-Schweißnaht, Reib-Schweißnaht,
Kaltpreß-Schweißnaht, bestehenden Gruppe ausgesuchte Metall-Keramik-Schweißnaht oder
Metall-Keramik-Aufschmelz-und-Erstarrungs-Schweißnaht.
D. eine aus der aus anorganische Klebstoffverbindung, anorganische mineralische Klebstoffverbindung,
Hochtemperatur-Klebstoffverbindung und ausgasungsfreie Klebstoffverbindung bestehenden
Gruppe ausgesuchte Metall-Keramik-Klebstoffverbindung.
E. eine in-vacuo Metall-Keramik-Versiegelung einer vakuumdichten Metall-Keramik-Ummantelung
eines aus der aus vakuumdichten Behälter, vakuumdichter Tasche, vakuumdichter Tüte,
vakuumdichter Verpackung und vakuumdichter Vakuumisolationspaneele bestehenden Gruppe
ausgesuchten vakuumdichten Behältnisses für eine Anwendung unter Normalbedingungen.
F. eine mit einem aus der aus 92Pb-4In-4Ti, 68,8Ag-26,7Cu-4,5Ti (Ticusil), 71,15Ag-28,1Cu-0,75Ni
(Nicusil 3), AgCuInTi, 96Ag-4Ti, CuAlSiTi, CuAu mit 35, 37,5, 40 oder 50 Au, 63Ag-34,2Cu-lSn-1,75Ti,
67,5Cu-23,5Mn-9Ni (Nicuman 23) und 58,5Cu-31,5Mn-10Co (Cocuman) bestehenden Gruppe
ausgesuchtem Lötmaterial hergestellte Metall-Keramik-Lötnaht.
11. Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, worin die in-vacuo
Relativbewegung ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. ein Vorbeiführen der vakuumtauglichen Fügeapparatur an dem mindestens einen Vorprodukt,
worin das mindestens ein Vorprodukt eine fixe Fügungsposition enthält.
B. ein Vorbeiführen des mindestens einen Vorproduktes an der vakuumtauglichen Fügeapparatur,
worin die vakuumtaugliche Fügeapparatur eine fixe Fügeposition enthält.
C. ein Aufeinanderzubewegen oder ein Voneinanderwegbewegen, worin die vakuumtaugliche
Fügeapparatur eine bewegliche Fügeposition und das mindestens eine Vorprodukt eine
bewegliche Fügungsposition enthält.
D. eine aus einer linearen Bewegung, einer Geradeausbewegung, einer Kurvenbewegung,
einer rotativen Bewegung und einer Reziprokbewegung ausgesuchte in-vacuo Relativbewegung.
gung. E. eine Präzisionsbewegung mit einer Positions- oder Bewegungstoleranz von <
1 µm relativ zu einer in-vacuo Relativbewegungsrichtung.
F. eine Präzisionsbewegung mit einer Positions- oder Bewegungstoleranz von < 3 µm
relativ zu einer in-vacuo Relativbewegungsrichtung.
G. eine Präzisionsbewegung mit einer Positions- oder Bewegungstoleranz von < 6 µm
relativ zu einer in-vacuo Relativbewegungsrichtung.
H. eine Präzisionsbewegung mit einer Positions- oder Bewegungstoleranz von < 12 µm
relativ zu einer in-vacuo Relativbewegungsrichtung.
I. eine Präzisionsbewegung mit einer Positions- oder Bewegungstoleranz von < 20 µm
relativ zu einer in-vacuo Relativbewegungsrichtung.
J. eine Präzisionsbewegung mit einer Positions- oder Bewegungstoleranz von < 30 µm
relativ zu einer in-vacuo Relativbewegungsrichtung.
12. Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, worin die vakuumtaugliche
Fügeapparatur ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. mindestens ein Material mit einem niedrigen Ausgasungskoeffizienten und einem geringen
Oberflächen-zu-Volumenverhältnis.
B. einen aus der aus Reibschweißautomat, Rollnaht-Schweißautomat, Hochleistungsdioden-Laserapparatur,
Nd:YAG-Laserapparatur, "Hochfrequenz"-Widerstandsschweißgerät, Elektronenstrahl-Schweißgerät,
Widerstands-Punkt-Schweißgerät, DirektDruck- und J-Typ Maschine, Aufschmelz-und-Erstarrungs-Projektions-Schweißgerät,
"Blitz"-Schweißgerät, Walzschweißgerät, Reibschweißgerät, Reibrührschweißgerät, Kontinuierliches
Schmiede-Schweißgerät, Kontinuierliches Ultraschall-Schweißgerät, Festkörper-Projektions-Schweißgerät
und Schmiede-Schweißgerät bestehenden Gruppe ausgesuchten Schweißautomaten, worin
der Schweißautomat in dem Fügebereich enthalten ist.
C. ein externes Lasergerät, worin das externe Lasergerät außerhalb der Vakuumkammer
zum Fügebereich versetzt enthalten ist.
D. einen Lötautomaten, worin der Lötautomat in dem Fügebereich enthalten ist.
13. Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, worin die in-vacuo
Relativbewegung in einer in-vacuo Fertigungskette enthalten ist, worin die in-vacuo
Fertigungskette ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. eine Beförderung des mindestens eines Vorproduktes aus einem Zufuhrbereich der
Vakuumkammer in den in-vacuo Fügebereich.
B. einen Transport der in-vacuo gefügten oder verbundenen Struktur oder der vakuumdichten
Behälters oder der vakuumdichten Verpackung in einen Lagerbereich der Vakuumkammer.
C. einen Ersatz des mindestens einen Exemplares in dem in-vacuo Fügebereich durch
eine Zufuhr mindestens eines neuen Exemplares aus dem Zufuhrbereich.
D. mindestens einen die Beförderung, die in-vacuo Relativbewegung, den Transport und
den Ersatz enthaltenen in-vacuo Fügezyklus.
E. eine aus der aus Führungsschiene, Halterung, Weiche und Palettierroboter bestehenden
Gruppe ausgesuchte Verfahrensapparatur aus mindestens einem Material mit einem niedrigen
Ausgasungskoeffizienten und einem geringen Oberflächen-zu-Volumenverhältnis.
F. einen Produktionszyklus aus in-vacuo Fügezyklus, in-die Vakuumkammer-Hereinschleusen
des mindestens einen Exemplares und aus-der-Vakuumkammer-Heraus-schleusen von mindestens
einem Produkt.
G. einen effektiven Wirkungsgrad eines VIP/Vakuumbehälter-Grundriß-Wirkungsgrades
mit einem Wert im Bereich von 0,08 - 20.
H. eine aus der aus Beförderungs-, Transport- und Zufuhrgeschwindigkeit ausgesuchte
in-vacuo Geschwindigkeit.
I. "Batch"-Prozeß.
J. eine Automatisierung.
K. einen IR-Detektor zur on-line Kontrolle einer in-vacuo-Verbindungstemperatur während
die Bildung der in-vacuo Verbindung.
14. Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, worin das mindestens
eine Exemplar ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. ein aus der aus offenstehendem Behälter, offenstehender Tasche, offenstehender
Tüte, offenstehender Verpackung und offenstehender Vakuumisolationspaneele bestehenden
Gruppe ausgesuchtes und über eine zu fügende Verbindungsstelle offenstehendes vakuumtaugliches
Behältnis.
B. eine dem Vakuum ganzseitig ausgesetzte Außenseite.
C. eine Anzahl NE, worin 1 < NE < 1000 einer Anzahl NV des mindestens einen Vorproduktes, worin 1 < NV < 20.
D. in einer Anzahl NB,T,V(1) des vakuumdichten Behältnisses enthalten ist, worin 1 < NB,T,V(1) < 1000.
E. in einer Anzahl NB,T,V(2) des vakuumdichten Behältnisses enthalten ist, worin 1 <NB,T,V(2) < 500 und das vakuumdichte Behältnis eine Falz entlang von zwei in-vacuo Verbindungsstellen
enthält.
F. in einer Anzahl NS einer vakuumgefügten oder vakuumverbundenen Struktur enthalten ist, worin 1 < NS < 500.
G. in einem Stapel oder Charge des mindestens einen Vorproduktes, in mindestens zwei
nacheinander identischen Stapeln oder Chargen des mindestens einen Vorproduktes, in
mindestens zwei nacheinander verschiedenen Stapeln oder Chargen des mindestens einen
Vorproduktes und in mindestens zwei nacheinander verschiedenen Stapeln oder Chargen
mit verschiedenen Vorprodukten enthalten ist.
H. in einem in-vacuo Produkt, in einem in einem Stapel oder Charge identischen in-vacuo
Produkt, in einem in mindestens zwei nacheinander identischen Stapeln oder Chargen
identischem in-vacuo Produkt, in einem in mindestens zwei nacheinander verschiedenen
Stapeln oder Chargen identischen in-vacuo Produkt und in in mindestens zwei nacheinander
verschiedenen Stapeln oder Chargen ver-schiedenen in-vacuo Produkten enthalten ist.
I. in einem Produkt aus mindestens zwei verschiedenen Vorprodukten enthalten ist.
J. in verschiedenen Produkten aus verschiedenen Fügezyklen enthalten ist.
K. in verschiedenen Produkten aus verschiedenen Vorprodukten enthalten ist.
L. in verschiedenen Produkten aus alternierenden Vorprodukten enthalten ist.
M. in alternierenden Produkten aus alternierenden Vorprodukten enthalten ist.
N. in alternierenden Produkten aus alternierenden und an verschiedenen Vorprodukten
angewandten Fügezyklen enthalten ist.
15. Eine vakuumtaugliche Fügeapparatur zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 14,
worin die vakuumtaugliche Fügeapparatur eine Vakuumkammer enthält, worin die Vakuumkammer
einen Vakuumkammerwandeinlaß in einer Vakuumkammerwand enthält, worin der Vakuumkammerwandeinlaß
ein lichttransparentes und vakuumtaugliches Einkoppelfenster für ein brechungsarmes
Einkoppeln eines außerhalb der Vakuumkammer erzeugten Laserstrahles in eine Vakuumkammeratmosphäre
enthält, worin das lichttransparente und vakuumtaugliche Einkoppelfenster ein brechungsarmes
Glasmaterial enthält,
worin die Vakuumkammer weiter ein oberes als eine Kühlfalle ausgebildetes Presswerkzeug
mit einem Kühlmittelkanal und ein unteres Presswerkzeug mit einem Kanal für eine kontaktfreie
Bildung einer Schweißnaht oder einer Trennaht und für ein Auffangen von Schmelztropfen
bei der Bildung der Trennaht und eine von außen an die Vakuumkammerwand angebrachte
Anbringung für ein in-vacuo Laser-Füge-Verfahren enthält, worin die Anbringung eine
vakuumtaugliche Laserquelle und eine Laser-Fokussierung und einen Laser-Linear-Antrieb
und eine Laser-Linear-Führungseinheit und eine vertikale Inkompressibilität enthält,
worin die Anbringung weiter eine inkompressible Verbindung mit einem Vakuumkammerwandort
der Vakuumkammerwand enthält, worin der Vakuumkammerwandort eine Unterstützung durch
eine inkompressible Vakuumkammerwand enthält,
worin die vakuumtaugliche Fügeapparatur weiter einen von einem Vakuumkammerdruck
in der Vakuumkammer und einer Lage des Einkoppelfensters unabhängigen konstanten und
durch das Einkoppelfenster hindurchführenden Abstand zwischen der Laser-Fokussierung
einerseits und einer Ebene für ein in-vacuo Verschweißen in dem in-vacuo Fügebereich
oder einem Auflagetisch für das mindestens eine Exemplar oder einem Vauumkammerboden
andererseits enthält.
16. Die vakuumtaugliche Fügeapparatur nach Anspruch 15, worin die vakuumtaugliche Fügeapparatur
ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. einen Presswerkzeugantrieb für eine Auf-und-Ab-Bewegung des oberen Presswerkzeuges
und/oder des unteren Presswerkzeuges, worin die Vakuumkammer einen Dichtflansch für
vakuumtaugliche Abdichtung des Presswerkzeugantriebes enthält.
B. einen Vakuumkammerdeckel.
C. einen Vakuumkammerdeckel zum Ein- und/oder Ausschleusen des mindestens einen Exemplars.
D. einen Vakuumkammerdeckel, worin der Vakuumkammerwanddeckel den Vakuumkammerwandeinlaß
enthält.
E. eine einen Hochleistungsdiodenlaser oder einen ND:YAG-Laser enthaltene Laserquelle.
F. eine Anordnung der vakuumtauglichen Laserquelle und der Laserfokussierung für ein
reflektionsfreies Auftreffen des außerhalb der Vakuumkammer erzeugten Laserstrahls
auf das Einkoppelfenster, worin die Anordnung einen Einstrahlwinkel von 90 ° enthält.
G. ein ein brechungsarmes Glasmaterial enthaltenes Einkoppelfenster, worin das brechungsarme
Glasmaterial eine Einstrahlseite und eine Ausstrahlseite für den erzeugten Laserstrahl
enthält, worin die Einstrahlseite und die Ausstrahlseite eine aufgedampfte Interferenzschicht
mit einem niedrigen Brechungsindex enthält, worin die aufgedampfte Interferenzschicht
vorzugsweise mehrere Schichtlagen enthält.
H. ein ein brechungsarmes Glasmaterial enthaltenes Einkoppelfenster, worin das brechungsarme
Glasmaterial eine reflektionsarme Beschichtung enthält, worin die reflektionsarme
Beschichtung eine Breitband-Multilayer-Antireflexbeschichtung enthält.
I. eine durch eine vertikale Vakuumkammerwand gestützte vertikale Verbindung des Laser-Linearantriebs
und der Laser-Linear-Führungseinheit mit der vertikalen Vakuumkammerwand, worin mindestens
die vertikale Verbindung und die vertikale Vakuumkammerwand eine Inkompressibilität
enthält.
17. Eine Vakuumisolationspaneele mit kunststoffreier Ummantelung um Vakuum-Innenraum mit dem porösen Füllwerkstoff
durch Herstellung mit dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14
oder durch Herstellung mit einer vakuumtauglichen Fügeapparatur nach Anspruch 15 oder
16 zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14,
worin die Vakuumisolationspaneele eine frei-von-mechanisch-lösbare-Verbindung seiende
Ummantelung enthält, worin die frei-von-mechanisch-lösbare-Verbindung seiende Ummantelung
einen in-vacuo eingekapselten Vakuum-Innenraum durch eine in-vacuo hergestellte vakuumdichte
Versiegelung enthält, worin die in-vacuo hergestellte vakuumdichte Versiegelung ein
oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. Kunststoffreiheit.
B. Gasdiffusionsfreiheit.
C. "pin-hole"-Freiheit.
D. Wandstärke oder Durchmesser oder Querschnitt oder mindestens eine Längendimension
mit einem Wert ≥ 15 µm.
E. Folie mit einer pin-hole freien Wandstärke oder Durchmesser oder einen pin-hole
freien Querschnitt oder mindestens eine pin-hole freien Längendimension.
F. organische oder Bio-Materialfreiheit.
G. Ventilfreiheit.
H. Absaugstutzenfreiheit.
I. Verschlußfreiheit.
J. Perforationsfreiheit.
K. Reproduzierbarkeit.
L. Gasmigrationsfreiheit oder Gasströmungsfreiheit.
M. ein Metall oder eine Legierung.
N. eine Keramik.
O. ein Metal-Keramik Verbund oder ein Legierung-Keramik-Verbund.
18. Die Vakuumisolationspaneele nach Anspruch 17, worin die in-vacuo hergestellte vakuumdichte
Versiegelung ein Versiegelungsmaterial mit einem oder mehreren der folgenden Kennzeichen
enthält:
A. eine Präzisionsversiegelung.
B. eine Präzisionsversiegelung zwischen zwei Folienenden.
C. mindestens zwei Präzisionsversiegelungen zwischen einem Folienende und einer Falz.
D. eine kunststoffreie Klebversiegelung.
E. eine Schweißnahtversiegelung aus einem metallischen Werkstoff.
F. eine Schweißnahtversiegelung aus einer Schicht mit einem homogenen Gefüge.
G. eine Schweißnahtversiegelung aus einer Schicht mit einem homogenen Feiunkorngefüge.
H. eine aus der aus Reibschweißnaht, Rollnaht-Schweißnaht,, Laserstrahl-Schweißnaht,
"Hochfrequenz"-Widerstandsschweißnaht, Elektronenstrahl-Schweißnaht, Widerstands-Punkt-Schweißnaht,
Direkt-Druck- oder J-Typ Maschinenschweißnaht, Aufschmelz-und-Erstarrungs-Projektions-Schweißnaht,
"Blitz"-Schweißnaht, Walzschweißnaht, Reibschweißnaht, Reibrührschweißnaht, Kontinuierliche
Schmiede-Schweißnaht, Kontinuierliche Ultraschall-Schweißnaht, Festkörper-Projektions-Schweißnaht
und Schmiede-Schweißnaht bestehenden Gruppe ausgesuchte Schweißnahtversiegelung.
I. eine Präzisionsschweißnahtversiegelung.
J. eine Präzisionsschweißnahtversiegelung zwischen zwei Folienenden.
K. mindestens zwei Präzisionsschweißnähte zwischen einem Folienende und einer Falz.
19. Eine Vakuumisolationspaneele mit frei-von-mechanisch-lösbarer-Verbindung seiender Ummantelung um Vakuum-Innenraum
mit dem porösen Füllwerkstoff durch Herstellung mit dem Verfahren nach einem oder
mehreren der Ansprüche 1 bis 14 oder durch Herstellung mit einer vakuumtauglichen
Fügeapparatur nach Anspruch 15 oder 16 zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder
mehreren der Ansprüche 1 bis 14,
worin die Vakuumisolationspaneele eine kunststoffreie Ummantelung enthält, worin
die kunststoffreie Ummantelung einen in-vacuo eingekapselten Vakuum-Innenraum durch
eine in-vacuo hergestellte vakuumdichte Versiegelung enthält, worin die in-vacuo hergestellte
vakuumdichte Versiegelung ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. eine Löslichkeit einer chemischen Komponente in einer Phase eines Gefüges.
B. eine Homogeneität.
C. eine einschichtige Mikrostruktur.
D. eine Seigerungsfreiheit.
E. eine Einschlußfreiheit.
F. ein feinkörniges Gefüge.
G. eine reproduzierbare Duktilität.
H. eine reproduzierbare Schadenstoleranz.
I. ein Metall oder eine Legierung.
J. eine Keramik.
K. ein Metal-Keramik Verbund oder ein Legierung-Keramik-Verbund.
20. Die Vakuumisolationspaneele nach Anspruch 17 oder 18,
worin die in-vacuo hergestellte vakuumdichte Versiegelung ein oder mehrere der
folgenden Kennzeichen enthält:
A. eine Löslichkeit einer chemischen Komponente.
B. eine Homogeneität.
C. eine einschichtige Mikrostruktur.
D. eine Seigerungsfreiheit.
E. eine Einschlußfreiheit.
F. ein feinkörniges Gefüge.
G. eine reproduzierbare Duktilität.
H. eine reproduzierbare Schadenstoleranz.
21. Die Vakuumisolationspaneele nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 20, worin
ein oder mehrere der nachfolgenden Kennzeichen ein aus der aus einem Stahl, einem
Edelstahl, einem Tantalmetall, einer Tantallegierung, einem Titanmetall, einer Titanlegierung,
einem Aluminiummetall, einer Aluminiumlegierung, einem Kupfermetall, einem OHC-Kuper,
einer Kupferlegierung, einem Nickelmetall, einer Nickelbasislegierung, einer Superlegierung,
einer ODS-Legierung, einer intermetallischen Legierung, einer TiAl-Basislegierung,
einem Goldmetall, einer Goldbasislegierung, einem Edelmetall, einem Berylliummetall,
einer Berylliumlegierung, einer Magnesiumlegierung und einem "thermal barrier" Werkstoff
ausgesuchtes Metall oder Legierung enthalten:
A. die in-vacuo hergestellte vakuumdichte Versiegelung
B. die kunststoffreie Ummantelung.
C. die frei-von-mechanisch-lösbarer-Verbindung seiende Ummantelung.
22. Eine Vakuumisolationspaneele mit kunststoffreier Ummantelung um Vakuum-Innenraum mit dem porösen Füllwerkstoff
durch Herstellung mit dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14
oder durch Herstellung mit einer vakuumtauglichen Fügeapparatur nach Anspruch 15 oder
16 zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14,
worin ein oder mehrere der nachfolgenden Kennzeichen ein aus der aus einem Stahl,
einem Edelstahl, einem Tantalmetall, einer Tantallegierung, einem Titanmetall, einer
Titanlegierung, einem Aluminiummetall, einer Aluminiumlegierung, einem Kupfermetall,
einem OHC-Kuper, einer Kupferlegierung, einem Nickelmetall, einer Nickelbasislegierung,
einer Superlegierung, einer ODS-Legierung, einer intermetallischen Legierung, einer
TiAl-Basislegierung, einem Goldmetall, einer Goldbasislegierung, einem Edelmetall,
einem Berylliummetall, einer Berylliumlegierung, einer Magnesiumlegierung und einem
"thermal barrier" Werkstoff ausgesuchtes Metall oder Legierung enthalten:
A. eine in-vacuo hergestellte vakuumdichte Versiegelung.
B. eine frei-von-mechanisch-lösbarer-Verbindung seiende Ummantelung.
C. die kunststoffreie Ummantelung.
23. Eine Vakuumisolationspaneele mit frei-von-mechanisch-lösbarer-Verbindung seiender Ummantelung um Vakuum-Innenraum
mit dem porösen Füllwerkstoff durch Herstellung mit dem Verfahren nach einem oder
mehreren der Ansprüche 1 bis 14 oder durch Herstellung mit einer vakuumtauglichen
Fügeapparatur nach Anspruch 15 oder 16 zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder
mehreren der Ansprüche 1 bis 14,
worin ein oder mehrere der nachfolgenden Kennzeichen ein aus der aus einem Stahl,
einem Edelstahl, einem Tantalmetall, einer Tantallegierung, einem Titanmetall, einer
Titanlegierung, einem Aluminiummetall, einer Aluminiumlegierung, einem Kupfermetall,
einem OHC-Kuper, einer Kupferlegierung, einem Nickelmetall, einer Nickelbasislegierung,
einer Superlegierung, einer ODS-Legierung, einer intermetallischen Legierung, einer
TiAl-Basislegierung, einem Goldmetall, einer Goldbasislegierung, einem Edelmetall,
einem Berylliummetall, einer Berylliumlegierung, einer Magnesiumlegierung und einem
"thermal barrier" Werkstoff ausgesuchtes Metall oder Legierung enthalten:
A. eine in-vacuo hergestellte vakuumdichte Versiegelung
B. eine kunststoffreie Ummantelung.
C. die frei-von-mechanisch-lösbarer-Verbindung seiende Ummantelung.
24. Die Vakuumisolationspaneele nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 23, worin
die kunststoffreie Ummantelung ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. eine polykristalline Mikrostruktur mit einer Korngröße mit einem Wert im Bereich
von 0,05 bis 2,0 µm.
B. eine polykristalline Mikrostruktur mit einer Korngröße mit einem Wert im Bereich
von 0,1 bis 5,0 µm.
C. eine polykristalline Mikrostruktur mit einer Korngröße mit einem Wert im Bereich
von 0,5 bis 8,0 µm.
D. eine polykristalline Mikrostruktur mit einer Korngröße mit einem Wert im Bereich
von 0,1 bis 8,0 µm.
E. eine bis 1400°C thermisch stabile polykristalline Mikrostruktur.
F. eine Foliendicke mit einem Wert im Bereich von 15,0 bis 25,0 µm.
G. eine Foliendicke mit einem Wert im Bereich von 20,0 bis 30,0 µm.
H. eine Foliendicke mit einem Wert im Bereich von 25,0 bis 40,0 µm.
I. eine Foliendicke mit einem Wert im Bereich von 30,0 bis 200,0 µm.
J. einen Folienstahl mit einer Wärmeleitfähigkeit bei 20°C mit einem Wert im Bereich
von 15 - 30 W/(K x m) und einem E-Modul unter Zug mit einem Wert im Bereich von 150
- 240 kN/mm2.
K. ein Folienaluminium mit einem spezifischen E-Modul E/ρAl mit einem Wert 26.8 < E/ρAl < 27.2, worin ρAl = spezifische Dichte des Folienaluminiums, worin das Folienaluminium das Aluminiummetall
ist.
L. ein Folienaluminium mit einem spezifischen E-Modul E/ρAl mit einem Wert 26.9 < E/ρAl < 35,0, worin ρAl = spezifische Dichte des Folienaluminiums, worin das Folienaluminium die Aluminiumlegierung
ist.
M. ein Folienberyllium mit einem spezifischen E-Modul E/ρBe mit einem Wert 161,9 < E/ρBe < 162,4, worin ρBe = spezifische Dichte des Folienberylliums, worin das Folienberyllium das Berylliummetall
ist.
N. ein Folienberyllium mit einem spezifischen E-Modul E/ρBe mit einem Wert 162,0 < E/ρBe < 170,0, worin ρBe = spezifische Dichte des Folienberylliums, worin das Folienberyllium die Beryllium-legierung
ist.
O. ein Folienmagnesium mit einem spezifischen E-Modul E/ρMg mit einem Wert 24,9 < E/ρMg < 32,0, worin ρMg = spezifische Dichte des Folienmagnesiums, worin das Folienmagnesium die Magnesiumlegierung
ist.
P. einen aus der aus einer "thermal barrier" bestehenden Werkstoff, worin die "thermal
barrier" eine poröse "sputter"-Schicht aus einem Zr-Basisoxyd oder Zr-Yttrium-Basisoxyd
enthält.
Q. eine Folie aus einem hochreinem Metall oder einer hochreinen Legierung.
R. eine hochreine Keramik.
25. Die Vakuumisolationspaneele nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 24, worin
die kunststoffreie Ummantelung ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. eine PVD-Beschichtung oder eine CVD-Beschichtung aus einem Metall oder aus einer
Legierung.
B. eine PVD-Beschichtung oder eine CVD-Beschichtung aus einem aus der aus einem Stahl,
einem Edelstahl, einem Feinkornstahl, einem Tantalmetall, einer Tantallegierung, einer
Tantallegierung, einem Titanmetall, einer Titanlegierung, einem Aluminiummetall, einer
Aluminiumlegierung, einem Kupfermetall, einem OHC-Kupfer, einer Kupferlegierung, einem
Nickelmetall, einer Nickelbasislegierung, einer Superlegierung, eine ODS-Legierung,
einer intermetallischen Legierung, einer TiAl-Basislegierung, einer TiNi-Basislegierung,
ein Goldmetall, eine Goldbasislegierung, einem Berylliummetall; einer Berylliumlegierung,
einer Magnesiumlegierung und einem "thermal barrier"-Werkstoff bestehenden Gruppe
ausgesuchtem Folienbeschichtungsmaterial.
C. mindestens eine Innenseite mit der PVD-Beschichtung oder mit der CVD-Beschichtung
nach A. oder B..
D. mindestens eine Außenseite mit der PVD-Beschichtung oder mit der CVD-Beschichtung
nach A. oder B..
26. Die Vakuumisolationspaneele nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 25, worin
die kunststoffreie Ummantelung ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. eine Kompositfolie, worin die Kompositfolie einen Werkstoffverbund enthält, worin
der Werkstoffverbund mindestens zwei verschiedene Werkstoffe in einer lateralen Richtung
enthält, worin die zwei verschiedenen Werkstoffe eine vakuumdicht verbundene Schnittstelle
enthalten.
B. eine Verbundfolie mit einem aus der aus Fe, Ni, Cr, Ta, Nb, Ti, Cu, Gold (Au),
Silber, Pt, Pd und Zr bestehenden Gruppe ausgesuchtem hochschmelzendem Übergangsmetall.
C. eine Verbundfolie mit einem aus der aus Zn, In, Sn und Pb bestehenden Gruppe ausgesuchtem
niedrig-schmelzenden Metall.
27. Die Vakuumisolationspaneele nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 26, worin
der Vakuum-Innenraum ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. einen Gradientenwerkstoff.
B. einen Gradientenwerkstoff für hohe Temperaturgradienten zwischen mindestens zwei
gegenüberliegenden Außenseiten der Vakuumisolationspaneele.
C. ein Hochvakuum.
D. ein definiertes Vakuum.
E. einen getter"-Material-freien Vakuum-Innenraum.
F. mindestens eine keramische Verstärkung.
G. mindestens eine Verstärkung aus einem Metall.
H. mindestens einen intra-Verbinder oder intra-Abstandshalter.
I. mindestens einen intra-Dämmkern-Verbinder oder intra-Dämmkern-Abstandshaltern.
28. Die Vakuumisolationspaneele nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 27, worin
der Vakuum-Innenraum ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. mindestens eine zwischen dem Kernmaterial und der kunststoffreien Folie koplanar
eingelegte Röntgenstrahlabsorber-Platte, Röntgenstrahlabsorber-Blech oder Röntgenstrahlabsorber-Folie
aus dem Berylliummetall oder aus der Berylliumlegierung.
B. mindestens eine Längsstrebe für eine konstruktive Versteifung der Vakuumpaneele,
worin die Längsstrebe mit der kunststoffreien Folie zusammengefügt ist.
C. mindestens eine Querstrebe für eine konstruktive Versteifung der Vakuumpaneele,
worin die Längsstrebe mit der kunstoffreien Folie zusammengefügt ist.
D. mindestens ein als Längs- oder Querstrebe benutztes versteifendes Profil.
E. ein aus der aus einem T-, Doppel-T-, U-, V-, W-, O- und S-Querschnittsprofil, einer
Lamelle, einer Rippe, einer wabenförmigen Verstärkung oder Versteifung, einem "honeycomb"
und einem wellenförmigen Querschnitt bestehenden Gruppe ausgesuchtes versteifendes
Profil.
29. Die Vakuumisolationspaneele nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 28, worin
die Vakuumisolationspaneele ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. eine Undurchlässigkeit gegenüber Röntgenstrahlen.
B. mindestens eine säurebeständige Außenseite.
C. einen Druckunterschied.
D. einen Temperaturunterschied.
E. eine Lastaufnahme senkrecht zu einer großflächigen Ummantelung.
F. eine Zug- oder Druckbeanspruchung Längs zu einer großflächigen Ummantelung.
G. eine thermische Barriere an einer äußeren Querseite.
30. Die Vakuumisolationspaneele nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 29, worin
die Vakuumisolationspaneele ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. eine aus der aus rechteckiger, quadratischer, dreieckiger und vieleckiger Querschnitt
bestehenden Gruppe ausgesuchte Querschnittsform.
B. eine mit einer auf eine Querschnittseite beschränkte und vakuumdichte in-vacuo
Stirnnaht versehende Querschnittsform.
C. eine mit einer auf eine Querschnittseite beschränkte und vakuumdichte in-vacuo
Stirnnaht versehende Querschnittsform, worin die Querschnittsseite in einer Ebene
einer Oberseite oder einer Unterseite enthalten ist.
D. eine aus der aus runder und kreisrunder Querschnitt bestehenden Gruppe ausgesuchte
Querschnittsform.
E. mindestens eine gegenüber mechanischer Befestigung oder Belastung reißfeste Überlappung
oder Lasche, worin die mindestens eine reißfeste Überlappung oder Lasche eine monolithische
Metallfolie oder eine monolithische Legierungsfolie enthält.
F. eine gegenüber mechanischer Befestigung reißfeste Überlappung oder Lasche mit einer
konstanten Breite x, worin 30 µm < x < 20,0 cm.
G. eine mindestens eine Schweißnaht enthaltende Überlappung oder Lasche.
H. eine mindestens eine Projektionsschweißnaht enthaltende Überlappung oder Lasche,
worin die Projektionsschweißnaht entlang der Überlappung oder Lasche enthalten ist
und aus der aus mindestens einer linearen Naht, einem Maschennetz und einem aus rechtweckigen,
dreieckigen, vieleckigen oder regelosen Maschen bestehenden Netz bestehenden Gruppe
ausgesucht wird.
I. mindestens eine gegenüber mechanischer Befestigung reißfeste Überlappung oder Lasche
mit einer konstanten Breite x1 und mindestens eine gegenüber mechanischer Befestigung reißfeste Überlappung oder
Lasche mit einer konstanten Breite x2. ' J. eine mechanisch beanspruchbare Überlappung oder Lasche mit mindestens einem
Bohrloch für eine mechanische Befestigung.
31. Die Vakuumisolationspaneele nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 29, worin
die Vakuumisolationspaneele ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. eine Überlappungs- oder Laschenfreiheit.
B. eine aus der aus runder, kreisrunder, rechteckiger, quadratischer, dreieckiger
und vieleckiger Querschnitt bestehenden Gruppe ausgesuchte und Überlappungs- oder
Laschen-freie Querschnittsform.
C. eine mit einer auf eine Querschnittsseite beschränkte und vakuumdichte in-vacuo
Stirnnaht versehende und Überlappungs- oder Laschen-freie Querschnittsform.
D. eine mit einer auf eine Querschnittsseite beschränkte und vakuumdichte in-vacuo
Stirnnaht versehende und Überlappungs- oder Laschen-freie Querschnittsform, worin
die Querschnittsseite in einer Ebene einer Oberseite oder einer Unterseite enthalten
ist.
32. Ein Vakuumisolationspaneelen-Verbund unter Verwendung von mindestens zwei Vakuumisolationspaneelen
nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 31, worin der Vakuumisolationspaneelen-Verbund
ein oder mehrere der folgenden Kennzeichen enthält:
A. eine Spaltfreiheit zwischen den mindestens zwei Vakuumisolationspaneelen.
B. eine Beschichtung oder Hochglanzpolitur.
C. einen Schutz gegen Perforation.
D. einen Spalt.
E. mindestens einen Spalt und mindestens vier Laschen für eine mechanische Befestigung.
F. einen Spaltverbund.
G. einen Spaltverbund für mechanische Befestigung.